FR3102508A1

FR3102508A1 - Moteur à combustion interne

Info

Publication number: FR3102508A1
Application number: FR1912141A
Authority: FR
Inventors: Edouard Kabakian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-10-29
Also published as: FR3102508B1; WO2021084176A1

Abstract

Moteur à combustion interne comportant un stator (4) et un rotor (2).Le stator (4) se présente sous la forme d’une pièce annulaire. Une première chambre (12) est réalisée par évidement du stator (4) en s’étendant sur une partie seulement de la périphérie de la face intérieure. Une deuxième chambre (14) dans le prolongement périphérique est réalisée par évidement du stator (4) en s’étendant sur une partie seulement de la périphérie de la face intérieure et décalée axialement par rapport à la première. Le rotor (2) est un cylindre comportant un piston pour la première chambre (12) et un piston (6) pour la deuxième chambre (14).Le rotor (2) comporte une troisième chambre (22) réalisée par évidement de la surface cylindrique extérieure du rotor (2) pouvant mettre en relation la première chambre (12) avec la deuxième chambre (14). Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

Moteur à combustion interne

La présente invention concerne un moteur à combustion interne.

La présente divulgation relève du domaine des moyens couramment utilisés pour mouvoir un véhicule.

Il est connu d’utiliser depuis la fin du 19^èmesiècle d’utiliser des moteurs fonctionnant avec un carburant obtenu à partir du pétrole pour déplacer des véhicules. Deux grands types de moteurs existent actuellement sur le marché : des moteurs à combustion interne à allumage commandé, dits aussi moteurs à essence et aussi des moteurs à combustion interne à allumage par compression. Ces deux types de moteurs comportent au moins un piston se déplaçant dans un mouvement de va-et-vient dans un cylindre.

Il existe également des moteurs dits à piston rotatif. Ici au moins une pièce en forme de came, appelée piston, est entrainée directement en rotation dans une chambre de forme adaptée et entraine un arbre. Inutile ici de prévoir des bielles et un vilebrequin. Un moteur de ce type, dit moteur Wankel, est certainement le moteur le plus connu de ce type. Malgré une fabrication en série, il n’a pas connu le succès probablement escompté.

La présente invention a pour but de fournir une nouvelle conception de moteur à combustion interne.

Ce nouveau type de moteur aura de préférence un rendement accru par rapport au rendement des moteurs à combustion interne connus.

De préférence, pour une puissance donnée, un moteur de nouvelle conception sera d’encombrement réduit par rapport aux moteurs actuellement connus.

Résumé

La présente divulgation vient améliorer la situation.

Il est proposé un moteur à combustion interne comportant, d'une part, un stator et, d'autre part, un rotor,

Dans ce moteur :

- le stator se présente sous la forme d’une pièce annulaire comportant une face intérieure et une face extérieure,

- la face intérieure présente une forme de base cylindrique circulaire autour d’un axe de rotation, ladite forme de base présentant un rayon autour de l’axe de rotation, dit rayon de base, et a minima une largeur, dite largeur de base, mesurée le long de l’axe de rotation,

- une première chambre est réalisée par évidement du stator à partir de la forme de base, ladite chambre s’étendant sur une partie seulement de la périphérie de la face intérieure, présentant une première largeur inférieure à la largeur de base et une hauteur correspondant à la distance de la paroi de la première chambre à l’axe de rotation diminuée du rayon de base,

- des moyens pour permettre l’introduction d’air ou d’un mélange gazeux dans la première chambre sont prévus,

- une deuxième chambre est réalisée par évidement du stator à partir de la forme de base, ladite chambre s’étendant sur une partie seulement de la périphérie de la face intérieure, présentant une deuxième largeur inférieure à la largeur de base et une hauteur correspondant à la distance de la paroi de la deuxième chambre à l’axe de rotation diminuée du rayon de base,

- des moyens pour permettre un échappement d’un mélange gazeux hors de la deuxième chambre sont prévus,

- la deuxième chambre dans le sens périphérique est dans le prolongement de la première avec toutefois un décalage par rapport à l’axe de rotation,

- le rotor se présente sous la forme d’un cylindre avec une surface cylindrique extérieure adaptée pour pouvoir tourner à l’intérieur de la forme de base de la face intérieure du stator, ledit cylindre présentant un axe monté sur paliers, ledit axe correspondant géométriquement à l’axe de rotation du stator,

- le rotor comporte un premier élément dit premier piston monté de manière à pouvoir se déplacer radialement dans le rotor et à venir épouser la paroi de la première chambre,

- le rotor comporte un deuxième élément dit deuxième piston monté de manière à pouvoir se déplacer radialement dans le rotor et à venir épouser la paroi de la deuxième chambre,

- le premier piston et le deuxième piston sont décalés angulairement dans le rotor,

- le rotor comporte une troisième chambre réalisée par évidement de la surface cylindrique extérieure du rotor de telle sorte que dans au moins une plage angulaire la troisième chambre mette en relation la première chambre avec la deuxième chambre, ladite troisième chambre étant disposée angulairement entre le premier piston et le deuxième piston.

Cette structure est notamment avantageuse car elle est compacte mais surtout permet une excellente exploitation de la force exercée lors d’une combustion car ladite force s’exerce de façon tangentielle par rapport à un arbre de sortie du moteur ce qui permet une optimisation à la fois du couple moteur et donc de ses performances.

Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- la paroi de la première chambre correspond à une portion de paroi cylindrique circulaire de rayon inférieur au rayon de base et d’axe parallèle à l’axe de rotation mais décalé par rapport à celui-ci.

- la paroi de la deuxième chambre correspond à une portion de paroi cylindrique circulaire de rayon inférieur au rayon de base et d’axe parallèle à l’axe de rotation mais décalé par rapport à celui-ci.

- la première chambre est décalée par rapport à la deuxième chambre selon l’axe de rotation d’un décalage inférieur à la fois à la première largeur et à la deuxième largeur.

- chaque piston se présente sous la forme d’une plaque avec deux faces planes parallèles ; un bord de ladite plaque présente une forme adaptée à une paroi de chambre de stator ; le bord opposé de ladite plaque porte une tige de piston ; le rotor présente autour de son axe un évidement latéral dans lequel fait saillie au moins une tige de piston et dans lequel se trouve une came fixe par rapport au stator et sur laquelle vient reposer ladite tige de piston.

- la deuxième chambre présente une forme similaire à celle de la première chambre ; la première chambre s’étend sur une première plage angulaire du stator ; la deuxième chambre s’étend sur une seconde plage angulaire du stator avec un décalage angulaire par rapport à la première chambre ; le rotor comporte deux paires de pistons, avec chacune un premier piston et un second piston, pour chaque ensemble formé d’une première chambre et une deuxième chambre de stator, et le décalage angulaire de la première paire de pistons par rapport à la deuxième paire de pistons sur le rotor correspond au décalage angulaire de la deuxième chambre par rapport à la première chambre sur le stator.

- le stator comporte deux premières chambres disposées parallèlement l’une à l’autre sur une même plage angulaire du stator ; le stator comporte une deuxième chambre disposée en position médiane selon l’axe de rotation par rapport aux deux premières chambres et dans le prolongement dans le sens périphérique par rapport à celles-ci ; une troisième chambre dans le rotor est disposée de manière à permettre sur une plage angulaire de mettre en communication une première chambre avec la deuxième chambre et une autre troisième chambre dans le rotor est disposée de manière à permettre sur une plage angulaire de mettre en communication l’autre première chambre avec la deuxième chambre.

- le stator comporte n ensembles avec chacun une première chambre et une deuxième chambre ; le rotor comporte n troisièmes chambres, et chaque ensemble avec une première chambre et une seconde chambre s’étend sur une plage angulaire de (360/n)°.

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

montre en perspective éclatée un stator et un rotor d’un moteur selon un mode de réalisation.

Fig. 2

montre en perspective les éléments de la figure 1 en position montée.

Fig. 3

montre en perspective sous un angle différent les éléments de la figure 2 avec des flasques latéraux.

Fig. 4

montre en perspective la forme de base du rotor des figures 1 à 3.

Fig. 5

montre en perspective la forme de base du stator des figures 1 à 3.

Fig. 6

montre en perspective un flasque latéral de la figure 3.

Fig. 7

montre un schéma illustrant le fonctionnement d’un moteur comportant les éléments illustrés sur les figures précédentes.

Fig. 8

montre schématiquement la structure de base d’un stator selon un deuxième mode de réalisation.

Fig. 9

montre une vue en perspective de la forme de base d’un stator selon le deuxième mode de réalisation.

Fig. 10

est un schéma équivalent à celui de la figure 7 pour le deuxième mode de réalisation.

Fig. 11

montre un flasque latéral en coupe transversale.

Fig. 12

montre schématiquement en vue de face une paire de cames d’une flasque latéral pour la deuxième forme de réalisation.

Fig. 13

correspond à la figure 12 pour l’autre flasque latéral de la deuxième forme de réalisation.

Fig. 14

est une vue schématique de principe du stator pour un troisième mode de réalisation.

Fig. 15

est une vue schématique de principe pour le rotor du troisième mode de réalisation.

Fig. 16

est une vue en perspective d’une forme de base d’un stator pour le troisième mode de réalisation.

Fig. 17

est une vue en perspective d’une forme de réalisation préférée pour un piston pour les trois modes de réalisation illustrés.

Fig. 18

est une vue en coupe longitudinale d’un piston dans une forme de réalisation préférée pouvant être utilisée pour les trois modes de réalisation illustrés.

Les figures et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente divulgation mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

Il est maintenant fait référence à la figure 1. Cette figure montre un rotor 2 destiné à venir prendre place dans un stator 4 ainsi que des pièces appelées par la suite piston 6. La dénomination de piston est choisie par analogie aux moteurs à combustion interne « classiques » comme étant la pièce sur laquelle s’exerce l’effort moteur d’une combustion et non pas pour la forme de la pièce qui se différencie totalement de la forme d’un piston de moteur « classique ».

Comme illustré sur la figure 4, le rotor 2 présente une forme globale de base cylindrique circulaire pleine avec un axe central 8. Ce rotor présente un rayon R2 et une longueur, mesurée le long de l’axe central L2. L’axe central 8 présente une longueur supérieure à L2. On remarque sur les figures 1, 2 et 4 un évidement 10 annulaire réalisé latéralement autour de l’axe central 8. Cet évidement 10 débouche dans une face latérale du rotor 2. Il présente un rayon inférieur à R2 et une profondeur inférieure à L2/2. Un évidement 10 est réalisé symétriquement sur l’autre face du rotor 2 mais n’est pas visible sur les figures 1, 2 et 4.

Le stator 4 (figure 5) présente une forme globale de base annulaire dans la forme de réalisation préférée illustrée au dessin. Il a ici la forme d’un anneau adapté à la taille du rotor 2. Cet anneau présente une face extérieure cylindrique circulaire de rayon R4 dans le mode de réalisation proposé. Il présente par rapport à son axe de révolution une largeur L4 qui peut être égale à L2 mais de préférence le rotor 2 est plus large que le stator 4 (c’est-à-dire L2 > L4 de préférence). Comme il ressort de la suite de la description, une autre forme pour la face extérieure du stator 4 pourrait être envisagée. On pourrait ainsi par exemple prévoir un méplat pour former un socle pour le moteur. Le stator 4 pourrait aussi se présenter par exemple sous une forme parallélépipédique avec un évidement central correspondant à la forme qui va être décrite ci-après pour coopérer avec le rotor 2.

Ainsi, la face intérieure du stator 4 présente comme forme de base une surface cylindrique circulaire de rayon R2 (aux tolérances de fabrication près). À partir de cette surface de base, deux évidements sont réalisés afin de former, lorsque le rotor 2 vient prendre place dans le stator 4 deux chambres, une première chambre 12 et une deuxième chambre 14.

Chaque chambre présente ici une forme rappelant un croissant de lune. L’évidement correspondant à une chambre présente à chaque fois une largeur inférieure à la largeur L4 du stator 4. On prévoit ici que la première chambre 12 et la deuxième chambre 14 présentent une même largeur L. Chaque chambre présente aussi une hauteur h avec une valeur H maximale H (figure 7) qui correspond à la distance radiale séparant la face extérieure du rotor 2 de la paroi périphérique de la chambre. Cette hauteur h dans une chambre, dans le sens périphérique, est sensiblement nulle puis croît progressivement vers la valeur H pour décroitre progressivement à nouveau vers 0. Dans la forme de réalisation préférée illustrée ici, la paroi de la chambre correspond à une section d’une surface cylindrique circulaire.

La première chambre 12 et la deuxième chambre 14 s’étendent chacune sur un secteur angulaire et ces deux secteurs sont tels qu’ils ne se chevauchent pas. Dans le sens périphérique, on a ainsi une chambre dans le prolongement de l’autre. Entre la première chambre 12 et la deuxième chambre 14 la paroi intérieure du stator correspond à la paroi cylindrique circulaire de base de rayon R2. On retrouve dans la première forme de réalisation deux zones correspondant à la forme cylindrique de base. Dans chacune de ces zones, il est prévu de préférence la présence d’un segment (non représenté sur les figures) afin de réaliser une séparation étanche entre les deux chambres voisines.

Axialement, les évidements formant les chambres sont décalés : la première chambre 12 se trouve dans plus près d’une première paroi latérale du stator 4 que la deuxième chambre 14 qui se trouve de fait plus près de l’autre paroi latérale que la première chambre 12. Toutefois, dans une forme de réalisation préférée, ces chambres se « chevauchent » axialement. Ainsi si la première chambre 12 est réalisée dans un premier secteur axial du stator 4 et la deuxième chambre 14 dans un second secteur axial du stator 4, le premier secteur et le second secteur présentent une zone commune. Cette dernière est de préférence au centre du stator. Dans la forme préférée illustrée au dessin, on a prévu de faire déboucher chaque chambre dans une paroi latérale du stator 4 mais chaque chambre inclut le plan médian du stator 4. On a ainsi l’équation :
L4 < 2 L.

Les pistons 6 sont destinés à former chacun une séparation étanche à l’intérieur des chambres du moteur. Chaque piston 6 se présente ainsi sous la forme d’une paroi qui s’étend radialement dans une chambre. Comme les chambres sont décalées axialement, on prévoit un piston 6 pour chaque chambre. De manière préférée, pour augmenter le rendement du moteur, on prévoit une deuxième paire de pistons 6. Dans la première forme de réalisation (figures 1 à 7), les deux paires de pistons 6 sont disposées de manière diamétralement opposée.

Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, les pistons 6 sont logés au moins partiellement et guidés dans des fentes 16 radiales réalisées dans le rotor 2 et débouchant à la surface périphérique extérieure du rotor 2. Lorsque le rotor 2 est plus large que le stator 4, les fentes 16 ne débouchent pas de préférence dans les faces latérales du rotor 2 de manière à assurer un meilleur guidage des pistons 6.

Chaque piston 6 présente une tête de piston 18 et une tige de piston 20. La tête de piston 18 est destinée à coulisser dans la fente 16 correspondante du rotor 2 et à venir séparer de manière étanche une chambre deux sous-chambres. La forme d’une tête de piston 18 est expliquée plus en détail plus loin en référence aux figures 17 et 18. La tige de piston 20 est quant à elle par exemple une tige cylindrique s’étendant radialement à partir de la tête de piston 18 vers l’intérieur du rotor 2. La longueur de la tige de piston 20 est telle qu’elle se trouve dans un évidement 10 annulaire du rotor 2. À cet effet, chaque fente 16 est prolongée d’un alésage débouchant dans cet évidement 10 annulaire.

On remarque en outre sur la figure 1 la présence d’une troisième chambre 22. Cette dernière est réalisée dans le rotor 2. Elle est disposée angulairement et de préférence aussi axialement entre deux fentes 16. On a ici deux troisièmes chambres 22 disposées de manière diamétralement opposée. Ces troisièmes chambres 22 peuvent aussi être appelées chambres de transfert.

La figure 3 illustre un moteur en perspective. On remarque la présence de deux flasques 24 qui viennent en appui sur le stator 4 et viennent « fermer » le moteur latéralement. On peut voir sur la figure 3 la forme extérieure d’un flasque 24 qui correspond à un disque avec un trou central 26 pour permettre le passage de l’axe central 8. La figure 6 montre quant à elle une face intérieure d’un flasque 24.

Comme on peut le voir sur la figure 6, on retrouve le trou central 26 pour l’axe central 8 du rotor 2. Autour de ce trou, se trouve en saillie vers l’intérieur du moteur une came 28. En position montée, cette came 28 est logée dans un évidement 10 du rotor 2. Cette came 28 est destinée à coopérer avec les tiges de piston 20 des pistons 6 qui coopèrent avec la chambre se trouvant du côté du flasque 24 considéré. À la périphérie du flasque 24 se trouve du côté intérieur de celui-ci, une nervure périphérique 30 avec une face transversale plane destinée à venir en appui sur une face latérale correspondante du stator 4. L’épaisseur de cette nervure périphérique 30 vient compenser la différence de largeur entre le stator 4 et le rotor 2 (si cette différence existe) et créer un jeu de telle sorte que le rotor 2 en tournant dans le stator 4 ne vienne pas frotter contre la face intérieure du flasque 24. Cette épaisseur de nervure périphérique 30 sera donc de préférence légèrement supérieure à (L2-L4)/2.

Le moteur est monté comme illustré sur les figures 2 et 3. Les pistons 6 sont montés dans le rotor 2, chacun dans sa fente 16. Le rotor 2 est monté dans le stator 4 de manière coaxiale. Le stator 4 est centré sur le rotor 2 dans la direction axiale et les flasques 24 avec chacun sa came 28 de telle sorte que les tiges de piston 20 viennent en appui sur les cames 28. Des roulements étanches non représentés sur ces figures 2 et 3 sont disposés entre le flasque 24 et l’axe central 8.

Le fonctionnement de ce moteur est expliqué à l’aide de la figure 7.

La figure 7 est une vue schématique en élévation du moteur. Le point R0 au centre correspond à l’axe de rotation du rotor 2 et à l’axe de révolution de la forme de base annulaire du stator 4. Le rotor 2 a un diamètre extérieur R2. On estime ici à titre de simplification que ce diamètre R2 correspond aussi au diamètre intérieur de base du stator 4. L’homme du métier sait en effet qu’il est nécessaire de prévoir un léger jeu pour garantir une bonne rotation du rotor 2 dans le stator 4.

La première chambre 12 a une paroi extérieure cylindrique circulaire correspondant à un cylindre de rayon R12 mais dont l’axe de révolution parallèle à l’axe de rotation illustré par le point CO est décalé. De même pour la deuxième chambre 14 qui a une paroi extérieure de rayon R14 centrée sur un axe parallèle à l’axe de rotation et illustré sur la figure 7 par un point C’O’ décalé par rapport à l’axe de rotation, les trois axes étant coplanaires, ou bien autrement dit, CO, RO et C’O’ étant alignés. On remarque en outre que l’axe de rotation est un axe médian par rapport aux axes de révolution des parois extérieures des chambres (c’est-à-dire que RO est le milieu du segment [CO, C’O’]) pour R12=R14. L’intersection du cylindre de rayon R2 autour de l’axe de rotation passant par le point RO et du cylindre de rayon R14 d’axe parallèle à l’axe de rotation et passant par le point CO correspond à deux droites parallèles à l’axe de rotation et passant par les points A et B de la figure 7. De même, l’intersection du cylindre de rayon R2 autour de l’axe de rotation passant par le point RO et du cylindre de rayon R12 d’axe parallèle à l’axe de rotation et passant par le point C’O’ correspond à deux droites parallèles à l’axe de rotation et passant par les points A’ et B’ de la figure 7. Angulairement, les lignes parallèles à l’axe de rotation passant par A et B sont décalées d’environ 5 à 25°, par exemple entre 8 et 12°. Il en est de même pour les lignes parallèles à l’axe de rotation passant par A’ et B’. On appelle par exemple les plages angulaires de rayon R2 entre les chambres les points morts du moteur. Chaque point mort s’étend sur une plage de 5 à 25°, de préférence entre 8 et 12°.

Comme mentionné dans la description plus haut, la première chambre 12 est décalée axialement par rapport à la deuxième chambre 14. Le même décalage axial existe pour les pistons 6. Ainsi deux pistons 6 diamétralement opposés coopèrent avec la première chambre 12 tandis que les deux autres pistons 6 diamétralement opposés coopèrent quant à eux avec la deuxième chambre 14.

La conception de ce moteur est basée sur l’existence de deux chambres distinctes : la première chambre 12 pour l’admission et la compression d’air ou d’un mélange air/carburant et la deuxième chambre 14 pour la combustion d’un mélange air/carburant et la détente des gaz. Les variantes décrites plus loin montrent qu’il est possible d’avoir plus de deux chambres. Pour l’instant, le principe de fonctionnement est décrit avec la première chambre 12 et la deuxième chambre 14. Une flèche ADM illustre schématiquement une ouverture d’admission d’air ou d’un mélange air/carburant. Il est ici possible de prévoir un fonctionnement de type moteur à essence ou de type Diesel. On peut ainsi prévoir l’introduction en phase d’admission soit d’air pur, soit d’un mélange air/carburant, dans ce dernier cas, un système d’injection de carburant étant prévu en amont de l’admission du mélange. De même, on peut donc avoir aussi une injection directe dans la chambre de combustion et/ou la présence d’une bougie (ou plusieurs) d’allumage et/ou la présence d’au moins une bougie de préchauffage.

Un échappement des gaz brûlés est effectué à la sortie de la chambre de combustion et est illustré par une flèche ECH.

Tant au niveau de l’admission que de l’échappement, on prévoit de préférence des entrées et sorties libres, uniquement munies de clapets anti-retour (non illustrés). Toutefois, un système de soupapes « classique » avec deux arbres à cames en prise sur l’axe central 8 par exemple peut être tout à fait envisagé.

Les flasques 24 assurent le maintien de l’axe central 8 avec des roulements correspondants ainsi qu’une étanchéité du bloc moteur. Chaque flasque 24 porte une came 28. Une came 28 est destinée à guider les pistons 6 coopérant avec la première chambre 12 tandis que l’autre came 28 est destinée à guider les pistons 6 coopérant avec la deuxième chambre 14. Dans le cas de figure illustré sur les figures 1 à 7 dans lequel la première chambre 12 et la deuxième chambre 14 débouchent dans une face latérale du stator, les flasques 24 assurent également l’étanchéité au niveau de chaque chambre correspondante. Des segments (non illustrés) peuvent être envisagés pour la réalisation de cette étanchéité.

Sur la figure 7, le piston 6-1 et le piston 6-3 sont destinés à coopérer avec la première chambre 12 ou chambre d’admission. Quand ces pistons se trouvent au niveau de la chambre d’admission, ils sont chacun à leur tour poussés par la came 28 correspondante pour suivre la paroi extérieure de la première chambre 12. Quand ces pistons ne sont pas face à la chambre d’admission, leurs têtes de piston 18 restent en appui sur la paroi de base intérieure du stator 4 sur le rayon R2. De même, les pistons 6-2 et 6-4 coopèrent avec la deuxième chambre 14 ou chambre de combustion / échappement. La figure 7 ne le montre pas mais les pistons 6-2 et 6-4 sont décalés par rapport au plan de la figure de la même manière que la deuxième chambre 14 est décalée de la première chambre 12 par rapport à ce plan de figure.

Sur cette figure 7, le rotor tourne dans le sens des aiguilles d’une montre. Le piston 6-1 sépare alors de manière étanche la première chambre 12, ou chambre d’admission, en deux. Du côté de B’, en se déplaçant, le piston 6-1 crée une dépression qui commande l’ouverture d’un clapet d’admission et fait ainsi rentrer de l’air (ou autre mélange gazeux : par la suite, il faudra comprendre air ou mélange gazeux quand le mot « air » est utilisé) dans la première chambre 12. L’autre face de la tête de piston 18 du piston 6-1 vient comprimer l’air admis précédemment dans la chambre d’admission. La troisième chambre 22 réalisée dans le rotor 2 est en liaison avec l’air comprimé par le piston 6-1. Quand le piston 6-1 se rapproche du point mort, c’est-à-dire de la ligne illustrée par A’, l’air comprimé par le piston 6-1 vient se « concentrer » dans la troisième chambre 22. Dès que la troisième chambre 22 atteint la position de la ligne A, la troisième chambre 22 entre en liaison avec la deuxième chambre 14 et l’air comprimé de la troisième chambre 22 se détend dans la deuxième chambre 14.

Le piston 6-2 est ici inactif, de même que le piston 6-3.

Le piston 6-4 sépare la deuxième chambre 14 en une chambre de combustion et en une chambre d’échappement. L’air qui vient d’être comprimé dans le piston 6-3 et qui se détend progressivement dans la deuxième chambre 14 commence alors sa combustion. Dans le cas d’un fonctionnement de type Diesel, on peut prévoir juste en aval de la ligne illustrée par le point A une injection de carburant qui vient alors s’auto-enflammer dans l’air comprimé à haute pression. Dans le cas d’un moteur à essence, on peut prévoir une bougie d’allumage à proximité de la ligne illustrée par le point A.

Ainsi, du côté de A, le piston 6-4 est poussé par la combustion qui se réalise et de l’autre côté, le piston 6-4 vient pousser les gaz d’échappement issus de la combustion précédente. Sous la pression exercée par la poussée du piston 6-4, le clapet correspondant à la sortie ECH vient s’ouvrir pour permettre l’échappement de ces gaz. Le tarage du clapet d’échappement est prévu pour, d'une part, ne pas créer une contrepression trop forte s’opposant à la combustion et, d'autre part, assurer une bonne vidange des gaz d’échappement.

On remarque donc que sur une rotation de 360°, deux cycles complets sont réalisés grâce à la présence de deux paires de pistons 6. Le moteur pourrait aussi fonctionner avec une seule paire de pistons 6. On réaliserait alors un cycle moteur complet sur 360°, comme pour un moteur dit « 2-temps ». On voit donc déjà ici un premier avantage de la structure proposée : avec uniquement deux chambres, on obtient des performances équivalentes à un moteur classique de quatre cylindres (quatre combustions sur deux tours ou 720°).

Un autre avantage important de la structure proposée est la création d’un couple important. En effet, on remarque que lors d’une combustion, l’effort exercé sur le piston 6 correspondant et toujours tangentiel par rapport à l’axe central. Cette orientation est optimale pour le couple exercé sur l’arbre central 8 et retransmis à ce dernier par le rotor 2 qui peut ici être comparé à un ensemble bielle et vilebrequin d’un moteur à combustion interne classique à pistons.

À titre purement illustratif et nullement limitatif, afin de donner une idée des performances d’un moteur décrit ici, un exemple numérique basé sur la figure 7 est donné.

Le rotor 2 présente un rayon R2=0,140m.

On prévoit que R12=R14=0,1385m.

On suppose CO et C’O’ décalés chacun de 0,03m de RO.

On a alors une hauteur h=d(RO, CO)+R12-R2, soit 0,0285m.

On suppose en outre que la largeur de chaque chambre (première chambre 12 et deuxième chambre 14) mesurée le long de l’axe de rotation est de 0,08m.

Avec cette géométrie, lorsqu’un piston est en position médiane dans une chambre, notamment la deuxième chambre 14 de combustion / échappement, la surface de ce piston exposée à la force F due à la combustion est de 22,8cm². Le levier moyen pour ce piston est de 0,15m et la course entre les lignes A et B est de 0,33m.

Les deux chambres sont parfaitement symétriques par rapport à l’axe de rotation (RO). Chaque chambre présente une partie de hauteur h croissante dans laquelle le piston 6 correspondant a un mouvement ascendant, ledit piston 6 faisant ainsi saillie dans ladite chambre d’une hauteur allant progressivement de 0 à 2,85cm, puis a une partie de hauteur h décroissante dans laquelle ce piston 6 a un mouvement descendant passant alors d’une partie en saillie dans cette chambre passant de 2,85cm à 0.

La cylindrée (volume de la chambre correspondant ici aussi au volume balayé par le piston) est d’environ 500cm³. La cylindrée de ce moteur est donc d’environ 1 litre. Comme expliqué plus haut, ceci équivaut à une cylindrée de 2 litres d’un moteur à quatre pistons « classique ».

Le deuxième mode de réalisation prévoit d’avoir non plus deux mais quatre chambres, deux chambres d’admission / compression et deux chambres de combustion / échappement.

La figure 8 est composée d’une figure 8A, d’une figure 8B et d’une figure 8C. La figure 8A illustre schématiquement la face intérieure de base du stator 4 (de rayon R2) ainsi que les parois extérieures de deux chambres d’admission qui sont diamétralement opposées par rapport au rotor 2. On peut prévoir ici aussi que les parois extérieures des chambre d’admission (/compression) correspondent à des surfaces cylindriques circulaires. Il est prévu ici qu’une chambre d’admission s’étende au plus sur 90° du stator 4, c’est-à-dire sur un quart de la périphérie du stator 4.

La figure 8B illustre schématiquement la face intérieure de base du stator 4 (de rayon R2) ainsi que les parois extérieures de deux chambres de combustion qui sont diamétralement opposées par rapport au rotor 2. On peut prévoir ici aussi que les parois extérieures des chambre de combustion (/échappement) correspondent à des surfaces cylindriques circulaires. Il est prévu ici qu’une chambre de combustion s’étende au plus sur 90° du stator 4, c’est-à-dire sur un quart de la périphérie du stator 4.

La figure 8C illustre les quatre chambres du stator 4. On a comme pour le premier mode de réalisation un décalage des chambres d’admission/compression et des chambres de combustion/échappement selon la direction axiale. Chacune de ces chambres chevauche le plan médian du stator 4 mais les faces latérales de ces chambres ne sont pas dans un même plan transversal à l’axe de rotation. On remarque que le plan de symétrie des deux chambres d’admission/compression est décalé de 90° par rapport au plan de symétrie des deux chambres de combustion/échappement.

La figure 9 illustre en perspective une forme de réalisation d’un stator 4 pour cette deuxième forme de réalisation. On retrouve ici deux premières chambres 12 et deux deuxièmes chambres 14. On retrouve ici quatre points morts décalés de 90°. Chaque point mort s’étend sur une plage angulaire de l’ordre de 5 à 25°, par exemple entre 6 et 12°. Au niveau de ces points morts, la face intérieure du stator 4 est une section de surface cylindrique circulaire de rayon R2 (correspondant au rayon extérieur du rotor 2).

La figure 10 correspond à la figure 7 pour ce deuxième mode de réalisation. On prévoit ici quatre paires de pistons 6 avec quatre pistons 6 coopérant avec les chambres d’admission compression (premières chambres 12) et quatre pistons 6 coopérant avec les chambre de combustion échappement (deuxièmes chambres 14). Ici aussi, les pistons 6 sont montés coulissants dans le rotor 2 de manière à se déplacer radialement dans le moteur.

La figure 11 illustre un flasque 24 en coupe longitudinale. On remarque la présence d’un roulement 32 autour de l’axe central 8 et à l’intérieur du trou central 26 du flasque 24. Chaque flasque porte ici deux cames 28’. La figure 12 montre en vue de face deux cames 28’ correspondant à un flasque 24 et la figure 13 est une vue semblable pour les deux cames 28’ de l’autre flasque 24. Les deux cames 28’ d’un même flasque 24 sont diamétralement opposées et une came 2’ d’un flasque 24 est décalée angulairement de 90° selon l’axe de rotation par rapport à une came 28’ de l’autre flasque 24.

On retrouve aussi ici entre deux pistons d’une même paire de pistons 6 (un piston 6 d’admission compression et un piston 6 de combustion échappement, une troisième chambre 22 disposée à cheval sur le plan médian du stator 4 de manière à pouvoir assurer le transfert de l’air comprimé dans une première chambre 12 à une deuxième chambre 14 dans laquelle cet air comprimé servira de comburant pour la combustion d’un carburant.

Il est prévu alors aussi deux clapets pour l’admission d’air et deux clapets pour l’échappement des gaz brûlés.

Il est proposé ici aussi, à titre purement illustratif et non limitatif quelques valeurs numériques pour cette deuxième forme de réalisation de ce nouveau moteur.

Le rotor 2 présente un rayon R2=0,150m.

On prévoit que R12=R14=0,105m.

On suppose CO et C’O’ décalés chacun de 0,07m de RO.

On a alors une hauteur h=d(RO, CO)+R12-R2, soit 0,025m.

On suppose en outre que la largeur de chaque chambre (premières chambres 12 et deuxièmes chambres 14) mesurée le long de l’axe de rotation est de 0,08m.

Avec cette géométrie, lorsqu’un piston est en position médiane dans une chambre, notamment une deuxième chambre 14 de combustion / échappement, la surface de ce piston exposée à la force F due à la combustion est de 20cm². Le levier moyen pour ce piston est de 0,1625m.

Les quatre chambres sont régulièrement réparties par rapport à l’axe de rotation (RO). Chaque chambre présente une partie de hauteur h croissante dans laquelle le piston 6 correspondant a un mouvement ascendant, ledit piston 6 faisant ainsi saillie dans ladite chambre d’une hauteur allant progressivement de 0 à 2,5cm=H, puis a une partie de hauteur h décroissante dans laquelle ce piston 6 a un mouvement descendant passant alors d’une partie en saillie dans cette chambre passant de 2,5cm à 0.

La cylindrée (volume de la chambre correspondant ici aussi au volume balayé par le piston) est d’environ 250cm³. La cylindrée de ce moteur est donc d’environ 1 litre.

Pour un tour de moteur, huit combustions sont réalisées, c’est-à-dire un volume de combustion de 2 litres. Ceci équivaut donc à une cylindrée de 4 litres d’un moteur à huit pistons « classique ».

Les figures 14 à 16 illustrent sur le même principe une troisième forme de réalisation d’un moteur qui peut être utilisée lorsque de l’hydrogène est utilisé comme carburant.

La figure 14 illustre un stator développé à plat. On réalise ici deux chambres d’admission compression en parallèle pour une chambre de combustion échappement. On retrouve par rapport à l’axe de rotation un décalage longitudinal entre chaque chambre d’admission compression correspondant à une première chambre 12 et la chambre de combustion échappement correspondant à la deuxième chambre 14. Dans la première forme de réalisation une première chambre débouchait dans une face latérale du stator 4 et une deuxième chambre débouchait dans l’autre face latérale du stator 4. Ici les deux premières chambres 12 débouchent chacune dans une paroi latérale du stator 4 et sont séparées l’une de l’autre par une cloison 34 tandis que la deuxième chambre 14 est en position centrale et ne débouche dans aucune des faces latérales du stator 4.

Au lieu d’avoir des paires de pistons 6, on prévoit des trios de pistons 6, un piston pour une première première chambre 12, un piston 6 pour la seconde première chambre 12 et un piston pour la deuxième chambre 14. Cette dernière est en position médiane par rapport aux deux premières chambres 12. On prévoit en outre deux troisièmes chambres 22, une à chaque fois entre un piston 6 correspondant à une première chambre 12 et la deuxième chambre 14. De même que la première forme de réalisation décrite plus haut prévoyait de préférence deux paires de pistons 6, cette troisième forme de réalisation prévoit de préférence deux trios de pistons 6 diamétralement opposés (avec ici aussi la possibilité de fonctionner avec un seul trio de pistons).

Cette forme de réalisation qui dérive directement des deux autres formes de réalisation décrites, permet de résoudre définitivement le problème rencontré avec des carburants très sensibles à l’auto-allumage et/ou aux retours de flamme, comme par exemple d’hydrogène. En effet, il est possible ici d’adapter la forme des premières chambres en fonction du fluide qu’elles contiennent. On peut prévoir une première chambre pour de l’air et une autre pour de l’hydrogène. La forme de chaque chambre est alors adaptée pour obtenir la compression optimale avant le mélange de l’hydrogène avec l’air.

Pour les trois formes de réalisation décrites ci-dessus, il peut être prévu un double système de graissage / refroidissement à l’huile :

Un circuit de graissage est par exemple prévu dans le corps du stator 4 et dans les flasques. Quatre points de graissage peuvent être répartis sur le long de chaque point mort du stator. Également, quatre points de graissage peuvent être répartis le long de chaque segment d’étanchéité des chambres, entre les chambres et les flasques 24.

Un autre circuit peut aussi être prévu au niveau du rotor et des flasques 24. Un graissage automatique des pistons 6 peut ainsi être réalisé dès la mise en fonctionnement du moteur.

Il peut également être prévu pour l’ensemble des moteurs des points d’appuis / calage, (deux à trois par segment), dans le corps du stator 4, pour le montage des segments d’étanchéités des chambres, avant la mise en place du rotor 2. Ces points d’appuis / calage sont ensuite libérés et les flasques 24 les ferment hermétiquement.

La figure 17 illustre la possibilité d’avoir des pistons 6 robustes sans segments mais avec un système de graissage / refroidissement / étanchéité directement via un carter d’huile du moteur. À cet effet, chaque piston 6 est percé de trous radiaux 36 (par exemple purement illustratif huit trous de 3mm de diamètre et de 35 mm de profondeur) et en chicane alternés (pour la résistance des matériaux). En outre, des trous longitudinaux 38, par exemple quatre trous longitudinaux 38, peuvent être répartis sur la hauteur du piston 6 en laissant une marge de 5mm du point haut du piston et réalisés en 2mm de diamètre et en chicane alternés. Par ailleurs, sur la tige du piston 20, des gorges radiales 40 réalisées le long de la tige permettant la bonne circulation de l’huile moteur en phase montante et descendante des pistons 6.

La figure 18 quant à elle montre une tête de piston 18 à étanchéité optimisée en coupe transversale. La paroi de la tête de piston 18 destinée à venir au contact de la paroi extérieure de la chambre correspondante, présente de préférence un triple arrondi. Elle présente ainsi sur cette face dite face supérieure trois zones délimitées sur cette vue en coupe par les points A, B, C et D. Entre les points B et C, l’arrondi formé présente un centre O placé sur le plan médian longitudinal (par rapport à la tête de piston) de la tête de piston 18 et d’un rayon R12 ou R14 correspondant au rayon de courbure de la face extérieure de la première chambre 12 ou de la deuxième chambre 14 respectivement correspondante. Entre A et B, le rayon de courbure reste le même mais le centre de courbure est décalé en O1 par rapport à O du côté opposé à la zone AB. De même pour CD, le rayon de courbure reste le même mais le centre de courbure est décalé en O2 par rapport à O du côté opposé à la zone CD. L’épaisseur du piston 6, ou plus précisément de la tête de piston 18, sera bien entendue adaptée en fonction de la force qui va s’exercer sur ladite tête.

Les présentes solutions techniques peuvent trouver à s’appliquer notamment à tous types de moteurs, pour tout type de véhicule, terrestre, maritime ou aéronef.

Des performances pouvant être obtenues avec un moteur tel que décrit ci-dessus sont indiquées ci-après.

Pour une voiture de puissance moyenne, on pourrait par exemple utiliser un rotor d’un rayon de 12cm et un stator avec deux chambres. Avec une hauteur H des chambres de 2,2cm, on arrive à une cylindrée de 325cm³. En moyennant la pression produite dans la chambre de combustion pendant une phase de combustion, on obtient une force moyenne qui s’exerce avec un bras de levier moyen de 0,128m pour produire un couple moyen de 1016Nm ce qui correspond à une puissance à 2000tr/min^-1de 213kW.

Pour un poids lourd, on pourrait par exemple utiliser un rotor d’un rayon de 18cm et un stator avec deux chambres. Avec une hauteur H des chambres de 3,5cm, on arrive à une cylindrée de 900cm³. En moyennant la pression produite dans la chambre de combustion pendant une phase de combustion, on obtient une force moyenne qui s’exerce avec un bras de levier moyen de 0,1925m pour produire un couple moyen de 3409Nm ce qui correspond à une puissance à 2000tr/min-1 de 713kW.

Dans le domaine de l’aviation légère, on pourrait par exemple utiliser un rotor d’un rayon de 28cm et un stator avec quatre chambres. Avec une hauteur H des chambres de 4,0cm, on arrive à une cylindrée de 1080cm3. En moyennant la pression dans la chambre de combustion au cours d’une combustion, on obtient une force moyenne qui s’exerce avec un bras de levier moyen de 0,2957m. Le couple moyen obtenu est alors de 18565Nm ce qui correspond à une puissance à 2000tr/min-1 de 3882kW.

La nouvelle structure proposée ici permet ainsi d’avoir un moteur compact. Grâce à l’optimisation apportée, la performance du moteur par rapport à un moteur de cylindrée équivalente est améliorée, ce qui permet de réduire sensiblement la consommation du moteur en carburant.

L’homme du métier comprendra aussi qu’il est possible, d'une part, de prévoir un stator avec six ou huit chambres (voire plus) selon les deux premières formes de réalisation décrites. Pour la troisième forme de réalisation, il est possible d’avoir nx3 chambres.

La structure décrite permet aussi d’accoupler facilement deux moteurs en les mettant côte à côte. Cet arrangement peut être intéressant pour résoudre des problèmes d’adaptation de la taille du moteur à un espace donné.

Les performances décrites permettent d’autres utilisations du moteur, qui peut être par exemple utilisé comme compresseur ou générateur électrique (groupe électrogène).

Un avantage de la structure proposée est qu’elle peut facilement s’adapter à tout type de carburant : essence, gazole, GPL, GNL, biogaz, hydrogène, etc. .

La présente divulgation ne se limite pas aux exemples de réalisation décrits ci-avant, seulement à titre d’exemples et aux variantes évoquées, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l’homme de l’art dans le cadre de la protection recherchée.

Claims

Moteur à combustion interne comportant, d'une part, un stator (4) et, d'autre part, un rotor (2),
caractérisé en ce que le stator (4) se présente sous la forme d’une pièce annulaire comportant une face intérieure et une face extérieure,
en ce que la face intérieure présente une forme de base cylindrique circulaire autour d’un axe de rotation, ladite forme de base présentant un rayon autour de l’axe de rotation, dit rayon de base, et a minima une largeur, dite largeur de base, mesurée le long de l’axe de rotation,
en ce qu’une première chambre (12) est réalisée par évidement du stator (4) à partir de la forme de base, ladite chambre s’étendant sur une partie seulement de la périphérie de la face intérieure, présentant une première largeur inférieure à la largeur de base et une hauteur correspondant à la distance de la paroi de la première chambre (12) à l’axe de rotation diminuée du rayon de base,
en ce que des moyens pour permettre l’introduction d’air ou d’un mélange gazeux dans la première chambre (12) sont prévus,
en ce qu’une deuxième chambre (14) est réalisée par évidement du stator (4) à partir de la forme de base, ladite chambre s’étendant sur une partie seulement de la périphérie de la face intérieure, présentant une deuxième largeur inférieure à la largeur de base et une hauteur correspondant à la distance de la paroi de la deuxième chambre (14) à l’axe de rotation diminuée du rayon de base,
en ce que des moyens pour permettre un échappement d’un mélange gazeux hors de la deuxième chambre (14) sont prévus,
en ce que la deuxième chambre (14) dans le sens périphérique est dans le prolongement de la première avec toutefois un décalage par rapport à l’axe de rotation,
en ce que le rotor (2) se présente sous la forme d’un cylindre avec une surface cylindrique extérieure adaptée pour pouvoir tourner à l’intérieur de la forme de base de la face intérieure du stator (4), ledit cylindre présentant un axe (8) monté sur paliers, ledit axe correspondant géométriquement à l’axe de rotation du stator,
en ce que le rotor (2) comporte un premier élément dit premier piston (6) monté de manière à pouvoir se déplacer radialement dans le rotor (2) et à venir épouser la paroi de la première chambre (12),
en ce que le rotor (2) comporte un deuxième élément dit deuxième piston (6) monté de manière à pouvoir se déplacer radialement dans le rotor (2) et à venir épouser la paroi de la deuxième chambre (14),
en ce que le premier piston (6) et le deuxième piston (6) sont décalés angulairement dans le rotor (2),
en ce que le rotor (2) comporte une troisième chambre (22) réalisée par évidement de la surface cylindrique extérieure du rotor (2) de telle sorte que dans au moins une plage angulaire la troisième chambre (22) mette en relation la première chambre (12) avec la deuxième chambre (14), ladite troisième chambre (22) étant disposée angulairement entre le premier piston (6) et le deuxième piston (6).
Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi de la première chambre (12) correspond à une portion de paroi cylindrique circulaire de rayon inférieur au rayon de base et d’axe parallèle à l’axe de rotation mais décalé par rapport à celui-ci.
Moteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi de la deuxième chambre (14) correspond à une portion de paroi cylindrique circulaire de rayon inférieur au rayon de base et d’axe parallèle à l’axe de rotation mais décalé par rapport à celui-ci.
Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première chambre (12) est décalée par rapport à la deuxième chambre (14) selon l’axe de rotation d’un décalage inférieur à la fois à la première largeur et à la deuxième largeur.
Moteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque piston (6) se présente sous la forme d’une plaque avec deux faces planes parallèles, en ce qu’un bord de ladite plaque présente une forme adaptée à une paroi de chambre de stator (4), en ce que le bord opposé de ladite plaque porte une tige de piston (20), en ce que le rotor (2) présente autour de son axe un évidement latéral dans lequel fait saillie au moins une tige de piston et dans lequel se trouve une came (28, 28’) fixe par rapport au stator et sur laquelle vient reposer ladite tige de piston (20).
Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la deuxième chambre (14) présente une forme similaire à celle de la première chambre (12), en ce que la première chambre (12) s’étend sur une première plage angulaire du stator, en ce que la deuxième chambre (14) s’étend sur une seconde plage angulaire du stator avec un décalage angulaire par rapport à la première chambre (12), en ce que le rotor (2) comporte deux paires de pistons (6), avec chacune un premier piston (6) et un second piston (6), pour chaque ensemble formé d’une première chambre (12) et une deuxième chambre (14) de stator (4), et en ce que le décalage angulaire de la première paire de pistons (6) par rapport à la deuxième paire de pistons (6) sur le rotor (2) correspond au décalage angulaire de la deuxième chambre (14) par rapport à la première chambre (12) sur le stator (4).
Moteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le stator (4) comporte deux premières chambres (12) disposées parallèlement l’une à l’autre sur une même plage angulaire du stator, en ce que le stator (4) comporte une deuxième chambre (14) disposée en position médiane selon l’axe de rotation par rapport aux deux premières chambres (12) et dans le prolongement dans le sens périphérique par rapport à celles-ci, en ce qu’une troisième chambre (22) dans le rotor (2) est disposée de manière à permettre sur une plage angulaire de mettre en communication une première chambre (12) avec la deuxième chambre (14) et une autre troisième chambre (22) dans le rotor (2) est disposée de manière à permettre sur une plage angulaire de mettre en communication l’autre première chambre (12) avec la deuxième chambre (14).
Moteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que en ce que son stator (4) comporte n ensembles avec chacun une première chambre (12) et une deuxième chambre (14), en ce que le rotor (2) comporte n troisièmes chambres (22), et en ce que chaque ensemble avec une première chambre (12) et une seconde chambre (14) s’étend sur une plage angulaire de (360/n)°.