WO2007012701A1 - Moteur a piston rotatif - Google Patents

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WO2007012701A1 PCT/FR2005/001946 FR2005001946W WO2007012701A1 WO 2007012701 A1 WO2007012701 A1 WO 2007012701A1 FR 2005001946 W FR2005001946 W FR 2005001946W WO 2007012701 A1 WO2007012701 A1 WO 2007012701A1
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Ghyslain Di-Pascale
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Ghyslain Di-Pascale
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    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B1/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
    • F01B1/01—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with one single cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0079—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having pistons with rotary and reciprocating motion, i.e. spinning pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/06—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft the piston motion being transmitted by curved surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a kinematic device, replacing the crank system, for an internal combustion engine, providing a complete thermodynamic cycle in a motor revolution, this invention can also be used for a pump.
  • a conventional engine comprises a piston reciprocating in a cylinder, this movement is converted into a rotary movement on a crank via a connecting rod.
  • crank-crank mechanism The disadvantages of the crank-crank mechanism are that they generate alternating forces of vibrations sources inertia and that the thermodynamic cycle is performed in 2 engine revolutions for a 4-stroke engine or 1 engine revolution but with losses in the transformation of the engine. cycle for a 2-stroke engine.
  • the mechanism according to the invention overcomes these drawbacks in fact it operates on the principle of the 4-stroke engine with a cycle (inlet exhaust compression compression) made in 1 motor revolution which allows to obtain high torque and power to relatively low engine speeds, more moving masses can balance naturally in the case of multicylinder engine.
  • the invention comprises a piston of cylindrical shape on which a fixed axis comes to slide or roll in a groove of "sinusoidal" shape formed in the cylinder, this piston is driven by a rotary and reciprocating movement in the axis of the cylinder.
  • the integral axis of the piston is slidable in an oblong bore formed in the motor shaft driven by a rotary movement in the axis of the cylinder.
  • the mechanism allows according to a first embodiment, the use of a cylinder head provided with intake and exhaust valves and according to a second embodiment, to overcome the valves by lights made in the cylinder and the piston, a mix of the two modes remaining possible for example: a cylinder head provided with exhaust valves and the cylinder provided with intake ports with a piston provided with lights.
  • the crank connecting rod system allows only a reciprocating movement of the perfectly sinusoidal piston as a function of the angle of rotation of the crank, the invention makes it possible to obtain, by the shape of the groove formed in the cylinder, an alternating displacement of the crank piston of approximate or perfectly sinusoidal shape depending on the angle of rotation of the shaft, the only constraint being to have an identical shape of the groove to 180 ° (the shape of the groove is symmetrical with respect to a plane passing through the axis of the cylinder).
  • the piston may be provided with conventional sealing segments locked in rotation relative to the piston.
  • Figure 1 shows in section the bottom dead center mechanism with a cylinder head provided with a valve and a shaft outside the cylinder.
  • Figure 2 shows the same section as Figure 1 at top dead center
  • Figure 3 shows in section the mechanism at low dead point with lights in the cylinder and the piston and a shaft outside the cylinder.
  • Figure 4 shows the same section as Figure 3 at top dead center
  • Figure 5 shows in section the mechanism at low dead point with a cylinder head provided with a valve and a shaft inside the cylinder.
  • Figure 6 shows the same section as Figure 5 at top dead center (piston, shaft and piston pin rotated 90 °).
  • Figure 7 shows in section the piston provided with a light.
  • Figure 8 shows in section the cylinder.
  • Figure 9 shows in section the cylinder provided with a light.
  • Figure 10 shows in section a shaft inside the cylinder.
  • Figure 11 shows a developed of a cylinder provided with intake and exhaust ports.
  • the device comprises a cylinder head (1) provided or not with valves (2), a cylinder (3) with a sinusoidal groove (8) this cylinder is provided with or without lights (9 and 9a), a piston (4) with or without lights (10), a motor shaft (5) with oblong bores (6) and an axis (7).
  • FIG. 8 shows a section of a cylinder (3) in which a sinusoidal groove (8) has been formed, an axis (7) rotating in the axis of the cylinder that bears against this groove by means of bearings (not shown), for example, there will be by the same, in addition, a rectilinear reciprocating movement in the axis of said cylinder.
  • a piston (4), of cylindrical shape sliding in the cylinder (3), integral with this axis (7) will therefore be driven by a rotary and reciprocating movement in the axis of the cylinder, the reciprocating displacement of the piston (4) in the cylinder (3) will therefore be directly linked to the shape of the groove (8).
  • the shaft (7) slides or rolls by means of bearings (not shown), for example, in oblong bores (6) made in the motor shaft (5), which may be internal (see FIGS. 5 and 6). ) or outside (see Figures 1,2,3 and 4), driving the motor shaft (5) in rotation.
  • the oblong bores (6) must be dimensioned to allow the piston (4) to run all the way from top dead center to bottom dead center.
  • FIGS 1,2,5 and 6 there is shown a cylinder head conventionally provided intake valves and exhausts (2) controlled by a camshaft (not shown) for performing a periodic transfer of the driving fluid.
  • FIGS. 3,4,7,9 and 11 Another possibility of this invention is to remove the valves by replacing them with lights in the cylinder (9 and 9a) and in the piston (10). engine fluid is controlled by the piston itself, opening and closing the admission ports (9a) and exhaust (9) of the cylinder (3).
  • FIG. 3 Another possibility of this invention is to remove the valves by replacing them with lights in the cylinder (9 and 9a) and in the piston (10). engine fluid is controlled by the piston itself, opening and closing the admission ports (9a) and exhaust (9) of the cylinder (3).
  • FIG. 11 shows a development of the cylinder provided with intake ports (9a) and exhausts (9) with the intake-compression-expansion-exhaust cycle of the driving fluid, during the intake phase, the light of the piston (10) opens the intake port (9a), during the compression and expansion phase the intake ports (9a) and the exhausts (9) are closed and during the exhaust phase the light of the piston (10) opens the exhaust port of the cylinder (9), the duration of admission and exhaust of the fluid is directly related to the length of the lights (9 and 9a) in the cylinder (3) and in the light of the piston (10).
  • Admissions and exhausts can be equipped with valves (for example 2-stroke type valves), to modify the admission or exhaust times.
  • the intake-compression-expansion-exhaust cycle is carried out in a motor revolution and thus makes it possible to obtain a torque and a power, substantially comparable to the conventional 4-stroke engine, at a regime that is two times lower.
  • the instantaneous torque of this invention is directly related to the effort of the fluid exerted on the piston (4), the shape of the groove in the cylinder (8) and the distance, relative to the motor axis, of support of the shaft (7) on the groove (8).
  • the shape of the groove (8) can, to optimize the torque, be purely or vaguely sinusoidal depending on the angle of rotation of the motor shaft (5), moreover the only constraint is to have an identical shape of the groove at 180 ° (the shape of the groove is symmetrical with respect to a plane passing through the axis of the cylinder) and allows, for example to have, a duration of admission and relaxation longer or shorter than that of compression and exhaust.
  • the invention allows easy balancing of moving parts, and by the same does not generate vibration, as on a conventional engine, due to the connecting rod / crank system.
  • the vertical inertia forces of the piston / shaft assembly can be balanced, for example, by appropriate counterweights driven by the drive shaft (5) and rotating twice as fast as the -this.
  • the vertical inertia forces can cancel themselves naturally by arranging the cylinders appropriately relative to each other, for example in the case of a twin cylinder it is possible to realize an architecture with opposite cylinders on the same axis of symmetry.
  • the piston may be provided with sealing segments of conventional shapes and functions locked in rotation relative to the piston (for example blocking segments identical to the two-stroke engines).

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Abstract

Dispositif cinématique, en remplacement du système bielle manivelle, pour un moteur à combustion interne, assurant un cycle thermodynamique complet en un tour moteur, cette invention peut aussi être utilisée pour une pompe. Ce dispositif permet l'utilisation de soupapes classiques disposées dans une culasse (1) ou de les remplacer par des lumières (9 et 9a) disposées dans le cylindre (3) et des lumières (10) dans le piston (4). Ce dispositif permet d'optimiser la conversion des efforts du fluide moteur sur le piston en couple moteur sur un arbre (5) par la forme de la gorge (8). Ce dispositif permet un équilibrage aisé des pièces en mouvement. L'invention comporte un piston déforme cylindrique (4) sur lequel un axe solidaire (T) vient s'appuyer dans une gorge de forme «sinusoïdale»(8) pratiquée dans le cylindre (3), ce piston (4) est animé d'un mouvement rotatif et alternatif dans l'axe du cylindre. L'axe (7) solidaire du piston vient coulisser dans un alésage oblong (6) pratiqué dans l'arbre moteur (5) animé d'un mouvement rotatif dans l'axe du cylindre.

Description

MOTEUR A PISTON ROTATIF
DESCRIPTION
La présente invention concerne un dispositif cinématique, en remplacement du système bielle manivelle, pour un moteur à combustion interne, assurant un cycle thermodynamique complet en un tour moteur, cette invention peut aussi être utilisée pour une pompe. Un moteur classique comporte un piston animé d'un mouvement alternatif dans un cylindre, ce mouvement est transformé en un mouvement rotatif sur une manivelle par l'intermédiaire d'une bielle.
Les inconvénients du mécanisme bielle-manivelle sont qu'ils engendrent des forces d'inerties alternatives sources de vibrations et que le cycle thermodynamique est réalisé en 2 tours moteur pour un moteur 4 temps ou en 1 tour moteur mais avec des pertes dans la transformation du cycle pour un moteur 2 temps.
Le mécanisme selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients en effet il fonctionne sur le principe du moteur 4 temps avec un cycle (admission compression détente échappement) réalisé en 1 tour moteur ce qui permet d'obtenir des couples et des puissances élevés à des régimes moteur relativement bas, de plus les masses en mouvement peuvent s'équilibrer naturellement dans le cas de moteur multicylindre.
L'invention comporte un piston de forme cylindrique sur lequel un axe solidaire vient glisser ou rouler dans une gorge de forme «sinusoïdale» pratiquée dans le cylindre, ce piston est animé d'un mouvement rotatif et alternatif dans l'axe du cylindre.
L'axe solidaire du piston vient coulisser dans un alésage oblong pratiqué dans l'arbre moteur animé d'un mouvement rotatif dans l'axe du cylindre. Le mécanisme permet selon un premier mode de réalisation, l'utilisation d'une culasse munie de soupapes d'admission et d'échappement et selon un deuxième mode de réalisation, de s'affranchir des soupapes par des lumières pratiquées dans le cylindre et le piston, un mixage des 2 modes restant possible par exemple: une culasse munie de soupapes d'échappements et le cylindre muni de lumières d'admission avec un piston muni de lumières.
Le système bielle manivelle ne permet qu'un mouvement alternatif du piston parfaitement sinusoïdal en fonction de l'angle de rotation de la manivelle, l'invention permet d'obtenir, par la forme de la gorge pratiquée dans le cylindre, un déplacement alternatif du piston de forme approximative ou parfaitement sinusoïdale en fonction de l'angle de rotation de l'arbre, la seule contrainte étant d'avoir une forme identique de la gorge à 180° près (la forme de la gorge est symétrique par rapport à un plan passant par l'axe du cylindre).
Le piston peut être muni de segments d'étanchéités classiques bloqués en rotation par rapport au piston.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Règle 26) Les figures annexées suivantes décrivent l'invention à titre illustratif et non limitatif :
La figure 1 représente en coupe le mécanisme au point mort bas avec une culasse munie de soupape et un arbre extérieur au cylindre.
La figure 2 représente la même coupe que la figure 1 au point mort haut
(le piston, l'arbre et l'axe du piston tournés de 90°).
La figure 3 représente en coupe le mécanisme au point mort bas avec des lumières pratiquées dans le cylindre et le piston et un arbre extérieur au cylindre. La figure 4 représente la même coupe que la figure 3 au point mort haut
(le piston, l'arbre et l'axe du piston tournés de 90°).
La figure 5 représente en coupe le mécanisme au point mort bas avec une culasse munie de soupape et un arbre intérieur au cylindre.
La figure 6 représente la même coupe que la figure 5 au point mort haut (le piston, l'arbre et l'axe du piston tournés de 90°).
La figure 7 représente en coupe le piston muni d'une lumière.
La figure 8 représente en coupe le cylindre.
La figure 9 représente en coupe le cylindre muni d'une lumière.
La figure 10 représente en coupe un arbre intérieur au cylindre.
La figure 11 représente une développée d'un cylindre muni des lumières d'admission et d'échappement..
En référence à ces figures, le dispositif comporte une culasse (1) munie ou non de soupapes (2), d'un cylindre (3) avec une gorge sinusoïdale (8) ce cylindre est muni ou non de lumières (9et 9a),d'un piston (4) muni ou non de lumières (10),d'un arbre moteur (5) muni d'alésages oblongs (6) et d'un axe (7).
On a représenté sur la figure 8 une coupe d'un cylindre (3) dans lequel une gorge de forme sinusoïdale (8) a été pratiquée, un axe (7) en rotation dans l'axe du cylindre venant s'appuyer sur cette gorge, par l'intermédiaire de roulements (non représentés), par exemple, on aura par la même, en plus, un mouvement rectiligne alternatif dans l'axe dudit cylindre.
Un piston (4), de forme cylindrique glissant dans le cylindre (3),solidaire de cet axe (7) sera donc animé d'un mouvement rotatif et alternatif dans l'axe du cylindre, le déplacement alternatif du piston (4) dans le cylindre (3) sera donc lié directement à la forme de la gorge (8). L'axe (7) glisse ou roule par l'intermédiaire de roulements (non représentés), par exemple, dans des alésages oblongs (6) pratiqués dans l'arbre moteur (5), qui peut être intérieur (voir figures 5 et 6) ou extérieur (voir figures 1,2,3 et 4), entraînant l'arbre moteur (5) en rotation. Les alésages oblongs (6) doivent être dimensionnés pour permettre au piston (4) d'effectuer toute sa course, du point mort haut au point mort bas.
Sur les figures 1,2,5 et 6 on a représenté une culasse munie classiquement de soupapes d'admissions et d'échappements (2) commandées par un arbre à cames (non représenté) permettant de réaliser un transfert périodique du fluide moteur.
Une autre possibilité de cette invention (voir figures 3,4,7,9 et 11) est, de supprimer les soupapes en les remplaçant par des lumières pratiquées dans le cylindre (9 et 9a) et dans le piston (10), Ia distribution du fluide moteur est commandée par le piston même, ouvrant et obturant les lumières d'admissions (9a) et d'échappements (9) du cylindre (3). Sur la figure 11 on a représenté une développée du cylindre munie de lumières d'admissions (9a) et d'échappements(9) avec le cycle admission-compression-détente-échappement du fluide moteur, lors de la phase d'admission, la lumière du piston (10) ouvre la lumière d'admission (9a), lors de la phase de compression et de détente les lumières d'admissions (9a) et d'échappements (9) sont obturées et lors de la phase d'échappement la lumière du piston (10) ouvre la lumière d'échappement du cylindre (9), la durée d'admission et d'échappement du fluide est directement liée à la longueur des lumières (9 et 9a) dans le cylindre (3) et à la lumière du piston (10). On peut équiper les conduits d'admissions et d'échappements avec des valves (par exemple valves types moteurs 2 temps), pour modifier les durées d'admissions ou d'échappements.
Le cycle admission-compression-détente-échappement, avec cette invention, est réalisé en un tour moteur et permet donc d'obtenir un couple et une puissance, sensiblement comparable au moteur classique à 4 temps, à un régime deux fois moins élevé.
Le couple instantané de cette invention est directement lié à l'effort du fluide exercé sur le piston (4), à la forme de la gorge dans le cylindre (8) et à la distance, par rapport à l'axe moteur, d'appui de l'axe (7) sur la gorge (8). La forme de la gorge (8) peut, pour optimiser le couple, être purement ou vaguement sinusoïdale en fonction de l'angle de rotation de l'arbre moteur (5), de plus la seule contrainte est d'avoir une forme identique de la gorge à 180° près (Ia forme de la gorge est symétrique par rapport à un plan passant par l'axe du cylindre) et permet, par exemple d'avoir, une durée d'admission et de détente plus longue ou plus courte que celle de compression et d'échappement. L'invention permet un équilibrage aisé des pièces en mouvement, et par la même n'engendre pas de vibration, comme sur un moteur classique, dues au système bielle/manivelle. Dans le cas d'un moteur monocylindre les forces d'inerties verticales de l'ensemble piston/axe peuvent s'équilibrer, par exemple, par des contrepoids appropriés entraînés par l'arbre moteur(5) et tournant 2 fois plus vite que celui-ci. Dans le cas d'un moteur multicylindre les forces d'inerties verticales peuvent s'annuler naturellement en disposant convenablement les cylindres les uns par rapport aux autres, par exemple dans le cas d'un bicylindre on peut réaliser une architecture à cylindres opposés sur le même axe de symétrie.
Le piston peut être muni de segments d'étanchéités de formes et de fonctions classiques bloqués en rotation par rapport au piston (par exemple blocage des segments identiques aux moteurs 2 temps).

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif cinématique, en remplacement du système bielle manivelle, pour un moteur à combustion interne, assurant un cycle thermodynamique complet en un tour moteur, cette invention peut aussi être utilisée pour une pompe. Le dispositif comporte un piston (4) de forme cylindrique sur lequel un axe (7) solidaire vient glisser ou rouler dans une gorge (8) de forme
«sinusoïdale», en fonction de l'angle de rotation de l'arbre moteur (5), pratiquée dans le cylindre (3), ce piston (4) est animé d'un mouvement rotatif et alternatif dans l'axe du cylindre. L'axe (7) solidaire du piston (4) vient coulisser dans des alésages oblongs (6) pratiqués dans l'arbre moteur (5), disposé à l'extérieur du cylindre(3), animé d'un mouvement rotatif dans l'axe du cylindre. Une culasse (1) munie de soupapes d'admissions et d'échappements (2), entraînées classiquement par un arbre à cames, vient assurée la distribution du fluide moteur.
2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre moteur(5) est disposé à l'intérieur du cylindre(3).
3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la culasse (1) est dépourvue de soupape (2), la distribution du fluide moteur est assurée par des lumières d'admissions (9a) et d'échappements (9) pratiquées dans le cylindre (3) et par une ou des lumières (10) dans le piston (4).
4. Dispositif suivant Ia revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que Ia culasse (1) est munie des soupapes, par exemple, d'admissions et que le cylindre (3) est muni de lumières d'échappements (9) avec une ou des lumières (10) pratiquées dans le piston (4), ou inversement soupapes d'échappements dans la culasse (1) et lumières d'admissions (9a) dans Ie cylindre (3).
5. Dispositif suivant la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que la forme de la gorge (8) n'est pas parfaitement sinusoïdale en fonction de l'angle de rotation de l'arbre moteur (5) pour par exemple, optimiser le couple instantané en fonction de l' effort du fluide exercé sur le piston (4).
6. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les conduits d'admissions ou d'échappements sont munis de valves, par exemple valves de type moteurs 2 temps, permettant une modification des durées d'admissions ou d'échappements.
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