WO2012156629A2 - Moteur thermique a carter rotatif - Google Patents

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WO2012156629A2
WO2012156629A2 PCT/FR2012/051051 FR2012051051W WO2012156629A2 WO 2012156629 A2 WO2012156629 A2 WO 2012156629A2 FR 2012051051 W FR2012051051 W FR 2012051051W WO 2012156629 A2 WO2012156629 A2 WO 2012156629A2
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motor
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Marc CHEVREAU
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GDF Suez SA
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    • 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
    • F01B13/00—Reciprocating-piston machines or engines with rotating cylinders in order to obtain the reciprocating-piston motion
    • F01B13/04—Reciprocating-piston machines or engines with rotating cylinders in order to obtain the reciprocating-piston motion with more than one cylinder
    • F01B13/06—Reciprocating-piston machines or engines with rotating cylinders in order to obtain the reciprocating-piston motion with more than one cylinder in star arrangement
    • F01B13/068—Reciprocating-piston machines or engines with rotating cylinders in order to obtain the reciprocating-piston motion with more than one cylinder in star arrangement the connection of the pistons with an actuated or actuating element being at the inner ends of the cylinders

Definitions

  • the present invention generally relates to motors and more particularly to thermal engines, that is to say engines using a temperature variation to create a pressure variation in working chambers, and thus to cause the mechanical movement of pistons. .
  • Rotary piston engines such as the “Wankel engine” are also known. It is a motor describing a four-stroke cycle, in which a triangular-shaped piston is used to convert the energy from combustion into a mechanical rotation energy transmitted to a crankshaft.
  • thermal deformation of the apex segments leading to a loss of efficiency and an increase in consumption
  • shape of the combustion chamber which is not optimal leading to incomplete combustion and exchanges at the level of the walls more important than those obtained in a compact chamber of the same volume, and also contributing to an increase in specific consumption.
  • thermal engine such as barrel motors, or turboprops, also having disadvantages in terms of insufficient cooling, excessive consumption or even excessive financial costs of manufacture and use.
  • the extended-expansion motor or Atkinson cycle motor
  • an extended expansion phase is used which makes it possible to use the high pressure and the heat available at the end of the expansion, which are lost in a conventional cycle.
  • this engine comprises an epicyclic gear on the crankshaft.
  • Quasiturbine type motors are also known, which have the same advantages as Wankel engines, but in which the volume of the chambers and the overlapping of the ports are optimized, which makes it possible to improve the efficiency of the engine.
  • the sealing problems of the Wankel engine are not solved in the quasiturbine, and we are seeing problems related to the kinematics of power transmission.
  • this type of engine has only been produced as a compressed air motor.
  • the present invention therefore aims to propose a heat engine implementing a new kinematic, to overcome the disadvantages of existing engines.
  • the present invention aims to provide a heat engine to obtain a higher performance than existing machines.
  • the invention is based on the observation that the degradation of the efficiency, in particular the thermal efficiency, of an engine is the result of two main factors present in the various engines of the prior art previously described:
  • the present invention proposes a reciprocating piston heat engine comprising
  • a rotating mobile casing provided with two cylinders arranged in a cross in a plane perpendicular to the axis of rotation of the casing, and
  • Two two-piston pistons installed in the two cylinders, thus providing four chambers for containing a working gas.
  • the motor is such that during the rotation of the mobile housing, the chambers containing the working gas are alternately positioned in a first and second environments, these environments being respectively maintained at a first and a second predetermined temperature depending on the type of operation of desired motor.
  • the mass of the engine is used as a flywheel; this eliminates the flywheel, which makes it possible to provide a mobile crankcase motor having no additional mass corresponding to the flywheel, unlike a fixed crankcase motor.
  • the engine proposed here solves the previously mentioned problem of achieving the compression and expansion phases under good temperature conditions.
  • the architecture and the kinematics implemented in the present invention allow the chambers containing the working gas to pass from one environment, for example, a first environment is maintained at a low temperature to perform the gas intake and compression phase, and a second environment, for example maintained at a high temperature, to perform the phases of combustion and relaxation.
  • thermodynamic cycle by precisely determining the passage of the seat chambers of the different phases in the thermal environments
  • the exploitation of the driving force generated by the expansion / contraction of the gas is carried out via the double-acting pistons arranged in a cross.
  • the pistons form an angle of 90 ° between them and are crossed at their center by a crankshaft, whose axis of rotation is eccentric with respect to the axis of rotation of the housing.
  • the value of the eccentricity is, for example, equal to half a piston stroke length.
  • the two double-acting pistons can be dissociated from one another in order to provide a greater variety of motor cycles.
  • the crankshaft retains its basic geometry, and only the phasing differs.
  • the engine further comprises cylinder heads positioned at the ends of each of the cylinders, these cylinder heads comprising a spherical annular segmentation.
  • the cylinders comprise rotary jackets for obstructing or releasing the intake or exhaust ports of the cylinders.
  • the use of such rotary jackets makes it possible to obtain maximum efficiency during operation of the engine in the "hot air" cycle, since the non-optimum transient stages are eliminated.
  • the rotary jackets are driven by an epicyclic ring.
  • these rotary jackets are rotated according to a predetermined kinematic diagram, depending, for example, on the motor cycle that is to be implemented.
  • the pistons are rotatable and rotate, respectively, with the rotating jackets.
  • the motor comprises a cam and floating cylinders, a movement of the cam allowing a variation of the volume of the internal combustion chamber.
  • hot air In a particular mode of operation, called “hot air", the air admitted into the chambers is alternately heated and cooled by sources external to the engine.
  • FIG. 1 represents an exploded three-dimensional view of an engine according to the invention
  • FIG. 2 represents the different operating phases of an engine according to the invention
  • FIG. 3 represents a spherical annular segmentation
  • FIG. 4 represents its implementation in an engine according to the invention
  • FIG. 5 represents the different operating phases of an engine comprising rotary jackets, as well as a particular configuration of these jackets, and
  • Figure 6 shows an example of an engine according to the invention, provided with rotating cylinders.
  • FIG. 1 An example of an engine according to the present invention is shown in exploded view in FIG.
  • It comprises a rotary casing 10 provided with two cylinders 11 and 12 arranged in a cross in a plane perpendicular to the axis of rotation of the casing.
  • the engine further comprises a crankshaft 16 inserted in the movable housing and in the two pistons 13 and 14, for transmitting the movement of the pistons 13 and 14 to the mobile housing.
  • crankshaft 16 is rotated, and the housing itself is rotated, following a rule of one turn for two.
  • the engine operates in two environments: a so-called “cold” environment 21 and a “hot” environment.
  • the different phases of an engine cycle are performed (admission, compression, combustion, expansion, exhaust), as shown in FIGS. 20a to 20f, by showing the various ports through the working chambers, particularly the chamber 21, these ports being located in cold or hot environments depending on the selected engine cycle.
  • An engine according to the present invention makes it possible to dissociate the admission / compression phases from those of combustion / expansion / exhaust.
  • a motor according to the invention performs the various phases of operation in these cylinders arranged in a cross.
  • Such an engine allows a noticeable improvement in the compactness and kinematics of the engine, compared to existing machines.
  • the two pistons present in an engine according to the present invention can be dissociated from each other.
  • the crankshaft retains its basic geometry, but the phasing and positioning of the peripheral elements, for example the lights made in the peripheral rings, or the orifices, made in the cylinder heads, differ.
  • a cylinder head visits, during its rotation, ports whose functions are different. These functions are, for example, included in the group comprising: an admission function, an escape function, a transfer function.
  • the housing is rotatable in a peripheral ring.
  • the yokes of the cylinders come into contact with this ring, and it is necessary to achieve a seal to prevent gas leakage during the course of a motor cycle.
  • the seal between two non-coaxial spherical laminar surfaces is not correctly achieved with the existing devices. Consequently, a new segmentation of the yokes, said spherical annular segmentation, shown in FIG. 3, has been developed.
  • This segmentation can be used in any equipment that requires sealing in non-coplanar surfaces.
  • One use of this segmentation in the context of the present invention is shown in FIG.
  • the cylinder heads, or heads, 40, 41 and 42 are each provided with two orifices 43 and 44 having a spherical ring making it possible to seal during a rotation of the casing.
  • the segment used is spherical in its lower base and follows a certain mobility movement, to achieve this seal.
  • an engine according to the invention can operate according to different engine cycles.
  • the chambers comprising the working gases visit the various intake and exhaust ports, and visit the hot and cold environments, which makes it possible to adapt the phasing of the engine to the desired cycle.
  • the steering of the rotary cylinders can be carried out according to different modes, among which:
  • An engine according to the present invention thus allows, by playing on the different degrees of freedom (spherical crown, spherical cylinders .%) to provide a device adapted to all types of operation.
  • the kinematics of this engine makes it possible to bring together various solutions hitherto impossible to implement in a simple and combined way on a heat engine.
  • the gaseous mass contained in the chambers transits alternately from a cold environment to a warm environment, thus varying in temperature, pressure and volume.
  • the coordination of the opening or the closing of the cylinders in one or the other environment makes it possible to implement any engine cycle.
  • the present invention therefore allows the development of "hot air" engines taking advantage of the new kinematics proposed to perform a transport of the gaseous working mass and not a transfer of the latter, since it is the working chambers that visit different temperature environments, and not the gas itself, thus making it possible to get rid of dead volumes hitherto considered as limiting and unavoidable.
  • the yokes preferably have the largest possible exchange surface and are made of a material having the greatest possible thermal permeability, such as aluminum or certain ceramics whose thermal conduction is more than a thousand times greater than that of a gas.
  • this technique also eliminates the need for regenerators and provides a rationalization of work between expansion and contraction of the working gas.
  • an engine according to the invention can operate in a reversible Stirling cycle.
  • Mechanical energy is supplied to the casing via the crankshaft 16 and the rotational movement thus induced from the casing makes the different ports visit the working chambers, so that heat is pumped to the cold source and then returned to the hot spring. .
  • the engine thus provides an excellent cold generator with excellent efficiency.
  • the present invention also makes it possible to provide an engine, the volume of the combustion chamber of which can vary continuously as a function of the engine load.
  • the compression ratio of an internal combustion reciprocating engine is defined by the ratio between the volume displaced by the piston and that of the combustion chamber.
  • this compression ratio is fixed and results from a compromise.
  • a variable compression ratio engine, called VCR makes it possible to get out of this compromise.
  • the VCR serves in particular to adapt the volume of the combustion chamber to the mass of gas introduced therein.
  • the compression ratio of a VCR engine is high at low loads thus providing additional efficiency to the expansion of the gases. Under very high loads in supercharged mode, its compression ratio is lower than that of a conventional engine, so that the temperature and pressure conditions remain "normal" despite a large mass of gas introduced into the cylinder, and that the combustion is carried out safely.
  • a low minimum compression ratio gives access to specific extreme low-end torques, inaccessible to conventional engines under normal conditions.
  • This variability of the compression ratio of the VCR engines makes it possible to have "several engines in one".
  • VCR is a major factor in optimizing efficiency through the expansion ratio, downsizing and downspeeding.
  • the flexible VCR that is to say, continuously driven, still marks an additional step in controlling the compression ratio: it is the necessary point of passage to make efficient the compression ignition of the engines, over a wide range of use. Compression ignition is a major issue for the reduction of consumption.
  • a VCR engine is by definition able to switch from one fuel to another without loss of performance or loss of performance, which remain optimal regardless of the fuel.
  • the present invention makes it possible, on the contrary, to propose a simplified device.
  • FIG. 7 shows a front view and a side view of an engine according to the present invention, comprising several peripheral rings: an intake and transfer ring 70, an isolation ring 71 and an exhaust crown 72 .
  • the motor includes a cam 73.
  • the cam allows, during rotation of the housing, to offset effortlessly, in the direction 74, the peripheral rings, thus allowing to vary the height of the combustion chamber.
  • the compression ratio becomes a variable parameter in the same way as the ignition advance, the inlet pressure or the timing of the distribution.
  • An engine according to the invention is a motor / compressor by design, it can, therefore, generate compressed air when the load decreases or reverses, for example in the context of a regeneration process.
  • This compressed air, stored in a tank, can equally be reused for driving phases or for other uses such as air conditioning, braking, or suspensions. "On demand" overeating is then made possible.
  • an engine according to the invention does not use controlled valves generating mechanical losses in the cams or springs, risks of rupture (panic) at high speed, pressure losses in the ducts and imposing non-optimal cylinder head shapes.
  • This engine uses "lights”, in the fashion of two-stroke engines, housed in the two peripheral crowns.
  • this engine with its peripheral crowns housing the intake / transfer and exhaust ducts, makes possible a totally variable distribution pattern in timing and duration according to the angular positions of said crowns; two stepper motors controlled effortlessly ensuring this function.
  • an engine according to the invention makes it possible to envisage all possible modes of operation in terms of internal combustion cycles (Miller, Atkinson, Split, 5 time Ilmor, ...) or external (Rankine, Stirling,. ).
  • An engine according to the invention can also be used with any type of thermal source, hot or cold.
  • this motor can be coupled to a reversible electric machine to form a hybrid architecture.
  • a hybrid architecture can, for example, be embedded in a vehicle to be used directly for the setting in motion of vehicle or the generation of electricity. It can also be used as an Absolute Cogenerator, for use in stationary housing.
  • Such an engine can adapt to energy needs in terms of power and vector while optimizing its mode of operation in terms of conversion and consumption of the available energy potential regardless of its form.

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Abstract

Moteur thermique à pistons alternatifs comportant un carter mobile rotatif (10) muni de deux cylindres (11, 12) disposés en croix dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du carter, deux pistons bicéphales (13, 14) installés dans les deux cylindres, ménageant ainsi quatre chambres destinées à contenir un gaz de travail, le moteur étant tel que lors de la rotation du carter mobile, les chambres contenant le gaz de travail sont alternativement positionnées dans un premier et second environnements, ces environnements étant maintenus à des températures distinctes.

Description

MOTEUR THERMIQUE A CARTER ROTATIF
La présente invention concerne de manière générale les moteurs et plus particulièrement les moteurs thermiques, c'est-à-dire des moteurs utilisant une variation de température pour créer une variation de pression dans des chambres de travail, et ainsi provoquer le mouvement mécanique de pistons.
Dans le domaine des moteurs thermiques, on connaît notamment des moteurs à piston classiques dans lesquels un système bielle-manivelle transforme une poussée des gaz, due à leur combustion, en couple moteur sur un vilebrequin .
Toutefois, on a constaté que cette transformation mécanique s'accompagnait nécessairement de frottements mécaniques entre les différents éléments, frottements générateurs de pertes d'énergie.
On connaît également des moteurs à piston rotatifs, tel que le « moteur de Wankel ». Il s'agit d'un moteur décrivant un cycle quatre temps, dans lequel un piston de forme triangulaire est utilisé pour convertir l'énergie issue de la combustion en une énergie mécanique de rotation transmise à un vilebrequin.
Un tel moteur, bien qu'avantageux en termes de poids et de compacité par rapport aux moteurs à piston classiques, présente de nombreux inconvénients parmi lesquels :
la pression de contact des segments d'apex qui tend vers l'infini, ainsi que des vibrations des segments d'apex difficiles à contrôler,
l'étanchéité des segments d'apex qui ne peut se faire que sur un seul étage et qui s'avère donc insuffisante, conduisant alors à de nombreuses fuites,
les déformations thermiques des segments d'apex, conduisant à une perte de rendement et à un accroissement de consommation, et la forme de la chambre de combustion qui n'est pas optima conduisant à une combustion incomplète et à des échanges au niveau des parois plus importants que ceux obtenus dans une chambre compacte de même volume, et contribuant également à un accroissement des consommations spécifiques. De nombreux autres types de moteur thermiques sont connus, tels que les moteurs à barillet, ou les turbopropulseurs , présentant également des inconvénients en termes de refroidissement insuffisant, de consommation trop élevée ou bien encore de coûts financiers de fabrication et d'utilisation trop élevés.
Afin de remédier à ces inconvénients, une gamme de moteurs mettant en œuvre une nouvelle cinématique a été proposée. On connaît ainsi le moteur à détente prolongée, ou moteur à cycle Atkinson, dans lequel on met en œuvre une phase de détente prolongée permettant d'utiliser la forte pression et la chaleur disponibles en fin de détente, gâchées dans un cycle classique. Pour ce faire, ce moteur comprend un engrenage épicycloïdal sur le vilebrequin .
toutefois constaté que l'ajout d'un tel engrenage épicycloïdal créait de nouvelles contraintes termes de masses mobiles, de vieillissement, frottements et de coûts de fabrication. On connaît également des moteurs de type quasiturbine, qui présentent les mêmes avantages que les moteurs Wankel, mais dans lesquels on optimise le volume des chambres et le chevauchement des ports, ce qui permet d'améliorer le rendement du moteur. Toutefois, les problèmes d'étanchéité du moteur Wankel ne sont pas résolus dans la quasiturbine, et on voit apparaître des problèmes liés à la cinématique de transmission de puissance. En outre, ce type de moteur n'a été produit que sous forme de moteur à air comprimé.
La présente invention vise donc à proposer un moteur thermique mettant en œuvre une nouvelle cinématique, permettant de remédier aux inconvénients des moteurs existants .
De manière plus précise, la présente invention vise à proposer un moteur thermique permettant l'obtention d'un rendement supérieur à celui des machines existantes.
L' invention part du constat selon lequel la dégradation du rendement, notamment thermique, d'un moteur est le fait de deux facteurs principaux, présents dans les différents moteurs de l'art antérieur précédemment décrits :
l'incapacité des moteurs thermiques existants à réaliser les phases de compression et de détente dans des environnements propices en terme de température et,
l'incapacité de ces moteurs à effectuer les phases d'admission et d'échappement isobares. Ainsi, la présente invention propose un moteur thermique à pistons alternatifs comportant
- un carter mobile rotatif muni de deux cylindres disposés en croix dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du carter, et
- deux pistons bicéphales installés dans les deux cylindres, ménageant ainsi quatre chambres destinées à contenir un gaz de travail.
Le moteur est tel que lors de la rotation du carter mobile, les chambres contenant le gaz de travail sont alternativement positionnées dans un premier et second environnements, ces environnements étant respectivement maintenus à une première et une seconde températures prédéterminées en fonction du type de fonctionnement de moteur souhaité.
Par le passé, des moteurs comportant des carters rotatifs avaient été utilisés dans certains véhicules, notamment des avions. Ces moteurs avaient toutefois été abandonnés car la masse mobile était trop importante, ce qui créait des complications au niveau de leur inertie.
Dans le cas présent, la masse du moteur est utilisée comme volant d'inertie ; on s'affranchit ainsi du volant moteur, ce qui permet de proposer un moteur à carter mobile ne présentant pas de masse supplémentaire correspondant au volant d'inertie, contrairement à un moteur à carter fixe.
Le moteur ici proposé permet de résoudre le problème précédemment mentionné de la réalisation des phases de compression et de détente dans de bonnes conditions de température. En effet, l'architecture et la cinématique mises en œuvre dans la présente invention permettent aux chambres contenant le gaz de travail de transiter d'un environnement à l'autre, un premier environnement étant, par exemple, maintenu à une température basse pour effectuer les phase d'admission et de compression de gaz, et un second environnement, par exemple maintenu à une température élevée, pour effectuer les phases de combustion et détente.
En outre, la nouvelle structure de moteur proposée ici présente de nombreux avantages parmi lesquels :
la réduction du nombre de pièces mobiles du moteur,
une très grande simplicité de conception et d' usinage,
une capacité géométrique et mécanique à travailler sous de très fortes pressions, la possibilité d'optimiser le cycle thermodynamique en déterminant précisément le passage des chambres siège des différentes phases dans les environnements thermiques ,
une limitation des pertes énergétiques dues aux frottements, puisque ce moteur ne met pas en œuvre d'articulation bielle- vilebrequin,
une compacité supérieure à celle des machines existantes, et un meilleur équilibrage .
Dans un moteur selon l'invention, l'exploitation de la force motrice générée par la dilatation/contraction du gaz est réalisée via les pistons à double-effet disposés en croix.
Dans une réalisation particulière de l'invention, les pistons forment un angle de 90° entre eux et sont traversés en leur centre par un vilebrequin, dont l'axe de rotation est excentré par rapport à l'axe de rotation du carter. La valeur de 1 ' excentration est, par exemple, égale à une demi-longueur de course de piston.
Ainsi, lorsque le moteur est en fonctionnement, le mouvement de rotation des pistons double-effet entraîne le vilebrequin en rotation et, de ce fait, entraîne le carter lui-même selon une règle de deux tours pour un.
Dans une réalisation particulière de l'invention, les deux pistons double-effet peuvent être dissociés l'un de l'autre, afin de proposer une plus grande variété de cycles moteur. Dans une telle configuration, le vilebrequin conserve sa géométrie de base, et seul le phasage diffère.
Dans une réalisation particulière de l'invention, le moteur comporte, en outre, des culasses positionnées aux extrémités de chacun des cylindres, ces culasses comportant une segmentation annulaire sphérique.
Une telle segmentation permet de remédier aux problèmes d'étanchéité de surface apparaissant lors du fonctionnement des machines existantes.
Une telle segmentation annulaire sphérique sera décrite en détail à l'aide de figures d'illustration. Il est toutefois à noter que cette segmentation peut être utilisée de manière indépendante d'un moteur selon l'invention. En effet, cette nouvelle segmentation permet d' offrir une alternative avantageuse aux segmentations existantes dans tout type de dispositif.
Dans une autre réalisation particulière, les cylindres comportent des chemises rotatives permettant d'obstruer ou de libérer les ports d'admission ou d'échappement des cylindres. L'utilisation de telles chemises rotatives permet d'obtenir un rendement maximum lors d'un fonctionnement du moteur en cycle « air chaud », puisque les étapes transitoires non optimum sont supprimées.
Ces chemises rotatives peuvent être utilisées seules ou en combinaison avec la segmentation annulaire sphérique décrite ci-dessus. Par ailleurs, ces chemises rotatives, qui seront décrites en détail à l'aide de figures, peuvent être utilisées indépendamment de la présente invention.
De manière préférentielle, les chemises rotatives sont pilotées par une couronne épicycloïdale .
De manière préférentielle également, ces chemises rotatives sont entraînées en rotation selon un schéma cinématique prédéterminé, dépendant par exemple du cycle moteur que l'on souhaite mettre en œuvre.
Il est à noter que, dans le cas où de telles chemises rotatives sont utilisées, les pistons sont mobiles en rotation et tournent, respectivement, avec les chemises rotatives.
Dans une autre réalisation particulière, utilisable seule ou en combinaison avec les réalisations précédentes, le moteur comporte une came et des cylindres flottants, un mouvement de la came permettant une variation du volume de la chambre de combustion interne.
Dans un mode de fonctionnement particulier, dit « à air chaud », l'air admis dans les chambres est alternativement chauffé puis refroidi par des sources externes au moteur.
D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :
la figure 1 représente une vue éclatée, en trois dimensions, d'un moteur selon 1 ' invention,
la figure 2 représente les différentes phases de fonctionnement d'un moteur selon 1 ' invention,
la figure 3 représente une segmentation annulaire sphérique, et la figure 4 représente sa mise en œuvre dans un moteur selon l'invention,
la figure 5 représente les différentes phases de fonctionnement d'un moteur comprenant des chemises rotatives, ainsi qu'une configuration particulière de ces chemises, et
la figure 6 montre un exemple de moteur selon l'invention, muni de cylindres rotatifs.
Un exemple d'un moteur selon la présente invention est montré en vue éclatée en figure 1.
Il comporte un carter rotatif 10, muni de deux cylindres 11 et 12 disposés en croix dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du carter.
Il comprend en outre deux pistons bicéphales 13 et 14. Ces pistons sont destinés à être installés dans les cylindres 11 et 12, ménageant ainsi quatre chambres de travail, une chambre à chaque extrémité de chaque piston. Les chambres sont destinées à accueillir un gaz de travail lors des différentes phases de fonctionnement du moteur. A chaque extrémité de cylindre sont disposées des culasses 15a, 15b, 15c et 15d.
Le moteur comporte en outre un vilebrequin 16 inséré dans le carter mobile et dans les deux pistons 13 et 14, permettant de transmettre le mouvement des pistons 13 et 14 au carter mobile.
En effet, lors d'une translation de l'un et/ou l'autre des pistons 13 et 14, le vilebrequin 16 est entraîné en rotation, et le carter lui-même est entraîné en rotation, suivant une règle de un tour pour deux.
Un cycle de fonctionnement d'un moteur tel que montré à la figure 1 va maintenant être décrit en détail à l'aide de la figure 2.
Le moteur évolue dans deux environnements : un environnement 21 dit « froid », et un environnement 22 dit « chaud ».
Dans un tel moteur, les différentes phases d'un cycle moteur sont effectuées (admission, compression, combustion, détente, échappement) , ainsi que montré aux figures 20a à 20f, en faisant visiter les différents ports par les chambres de travail, notamment la chambre 21, ces ports étant situés dans des environnements froid ou chaud selon le cycle moteur choisi.
II est à noter que le cycle montré sur ces figures n'est utilisé qu'à titre d'exemple, puisqu'un moteur selon l'invention permet de mettre en œuvre n'importe quel cycle moteur.
Un moteur selon la présente invention permet de dissocier les phases d'admission/compression de celles de combustion/détente/échappement. Toutefois, contrairement à certains dispositifs existants qui dissocient ces phases dans deux cylindres contigus, un moteur selon l'invention effectue les différentes phases de fonctionnement dans ces cylindres disposés en croix. Ainsi, un tel moteur permet une amélioration notoire de la compacité et de la cinématique du moteur, par rapport aux machines existantes.
Comme précédemment indiqué, les deux pistons présents dans un moteur selon la présente invention peuvent être dissociés l'un de l'autre. Dans une telle situation, le vilebrequin conserve sa géométrie de base, mais le phasage et le positionnement des éléments périphériques, par exemple les lumières pratiquées dans les couronnes périphériques, ou les orifices, pratiqués dans les culasses des cylindres, diffèrent. Ainsi, une tête de cylindre visite, au fil de sa rotation, des ports dont les fonctions sont différentes. Ces fonctions sont, par exemple, comprises dans le groupe comprenant : une fonction d'admission, une fonction d'échappement, une fonction de transfert.
Dans un moteur selon la présente invention, le carter est mobile en rotation, dans une couronne périphérique. Ainsi, les culasses des cylindres viennent au contact de cette couronne, et il est nécessaire de réaliser une étanchéité pour éviter les fuites de gaz lors du déroulement d'un cycle moteur. Or, l' étanchéité entre deux surfaces laminaires sphériques non coaxiales n'est pas correctement réalisée avec les dispositifs existants. Par conséquent, une nouvelle segmentation des culasses, dite segmentation annulaire sphérique, montrée en figure 3, a été développée.
Cette segmentation peut être utilisée dans tout équipement nécessitant la réalisation d'une étanchéité dans des surfaces non coplanaires. Une utilisation de cette segmentation dans le cadre de la présente invention est montrée en figure 4.
On constate sur cette figure 4 que les têtes de cylindres, ou culasses, 40, 41 et 42 sont munies chacune de deux orifices 43 et 44 comportant un anneau sphérique permettant de réaliser l' étanchéité lors d'une rotation du carter.
Comme montré sur la figure 3, le segment utilisé est sphérique dans sa base inférieure et suit un certain mouvement de mobilité, permettant de réaliser cette étanchéité .
Ainsi que précédemment mentionné, un moteur selon l'invention peut fonctionner selon différents cycles moteur. En effet, les chambres comprenant les gaz de travail visitent les différents ports d'admission et d'échappement, et visitent les environnements chaud et froid, ce qui permet d' adapter le phasage du moteur au cycle souhaité.
Par exemple, il est possible de mettre en œuvre un cycle Stirling, comprenant un chauffage isochore, une détente isotherme, un refroidissement isochore et une compression isotherme. Les mouvements du moteur au cours des quatre phases d'un tel cycle sont montrés en figure 5a. Pour la mise en œuvre d'un tel cycle, on peut avantageusement utiliser des cylindres rotatifs munis de chemises 51 telles que montrées en figure 5b. Ces chemises sont phasées, et les lumières des couronnes périphériques sont calibrées pour ouvrir et fermer l'admission et l'échappement de manière à optimiser le rendement du cycle en supprimant les étapes transitoires non optimum.
Le pilotage des cylindres rotatifs peut être effectué selon différents modes, parmi lesquels :
un pilotage cinématique mettant en œuvre des couronnes épicycloïdales 60, tel que montré en figure 6,
un pilotage électrique,
- un pilotage cinématique mettant en œuvre un train de pignon.
Un moteur selon la présente invention permet ainsi, en jouant sur les différents degrés de liberté (couronne sphérique, cylindres sphériques ....) de proposer un dispositif s' adaptant à tous types de fonctionnement.
Ainsi, la cinématique de ce moteur permet de rassembler différentes solutions jusqu'alors impossibles à mettre en œuvre de façon simple et combinée sur un moteur thermique. En effet, la masse gazeuse contenue dans les chambres transite alternativement d'un environnement froid à un environnement chaud, variant ainsi en température, pression et volume. La coordination de l'ouverture ou la fermeture des cylindres dans l'un ou l'autre des environnements permet de mettre en œuvre n'importe quel cycle moteur. La présente invention permet donc le développement de moteurs à « air chaud » mettant à profit la nouvelle cinématique proposée pour effectuer un transport de la masse gazeuse de travail et non pas un transfert de cette dernière, puisque ce sont les chambres de travail qui visitent différents environnements de température, et non pas le gaz lui-même, permettant ainsi de s'affranchir des volumes morts jusqu'ici considérés comme limitatifs et incontournables .
Dans le mode de fonctionnement dit à « air chaud », les culasses présentent préférentiellement la plus grande surface d'échange possible et sont constituées en un matériau ayant la plus grande perméabilité thermique possible, tel que l'aluminium ou certaines céramiques dont la conduction thermique est plus de mille fois supérieure à celle d'un gaz. Outre le fait de s'affranchir des volumes morts, cette technique permet également de s'affranchir de la nécessité de régénérateurs et apporte une rationalisation du travail entre expansion et contraction du gaz de travail.
Par exemple, dans le mode de fonctionnement dit à « air chaud », un moteur selon l'invention peut fonctionner selon un cycle Stirling réversible. De l'énergie mécanique est fournie au carter via le vilebrequin 16 et le mouvement rotatif ainsi induit du carter fait visiter les différents ports par les chambres de travail, de sorte que de la chaleur soit pompée à la source froide puis restituée à la source chaude. Le moteur fournit ainsi un excellent générateur de froid présentant un excellent rendement. La présente invention permet également de fournir un moteur dont le volume de la chambre de combustion peut varier continûment en fonction de la charge du moteur.
le taux de compression d'un moteur alternatif à combustion interne est défini par le rapport entre le volume déplacé par le piston et celui de la chambre de combustion. Sur les moteurs classiques, ce taux de compression est fixe et résulte d'un compromis. Un moteur à taux de compression variable, appelé VCR, permet de sortir de ce compromis. Le VCR sert notamment à adapter le volume de la chambre de combustion à la masse de gaz qu'on y introduit. Ainsi, le taux de compression d'un moteur VCR est élevé à faibles charges apportant ainsi un surcroît de rendement à la détente des gaz. Sous de très fortes charges en mode suralimenté, son taux de compression est plus faible que celui d'un moteur classique, afin que les conditions de température et de pression restent « normales » malgré une importante masse de gaz introduite dans le cylindre, et que la combustion s'effectue en toute sécurité. Un faible taux de compression minimal donne accès à des couples spécifiques extrêmes à bas régimes, inaccessibles à des moteurs classiques en conditions normales. Cette variabilité du taux de compression des moteurs VCR permet d' avoir « plusieurs moteurs en un seul ». En définitive, le VCR est un facteur majeur d'optimisation du rendement par le taux de détente, par la réduction de la cylindrée (downsizing) et par la réduction du régime (downspeeding) . Le VCR flexible, c'est-à-dire piloté continûment, marque encore une étape supplémentaire dans la maîtrise du taux de compression : c'est le point de passage obligé pour rendre efficace l'allumage par compression des moteurs, sur une large plage d'utilisation. L'allumage par compression est un enjeu majeur pour la réduction de consommation. En outre, un moteur VCR est par définition capable de passer d'un carburant à l'autre sans perte de rendement ni perte de performance, qui restent à l'optimum quel que soit le carburant.
On connaît des dispositifs, tels que les moteurs à taux de compression variables MCE-5, qui utilisent des mécanismes bielle-manivelle associés à des engrenages et des vérins pneumatiques pour modifier la course de son piston. De tels dispositifs mettent en œuvre un grand nombre de pièces mobiles, conduisant ainsi à une augmentation du prix et de la complexité de fabrication.
La présente invention permet, au contraire, de proposer un dispositif simplifié.
La figure 7 montre une vue de face et une vue de côté d'un moteur selon la présente invention, comportant plusieurs couronnes périphériques : une couronne d'admission et de transfert 70, une couronne d'isolation 71 et une couronne d'échappement 72.
En outre, le moteur comporte une came 73. La came permet, lors d'une rotation du carter, de désaxer sans effort, dans la direction 74, les couronnes périphériques, permettant ainsi de faire varier la hauteur de la chambre de combustion.
Ainsi, avec un tel moteur selon la présente invention, le taux de compression devient un paramètre variable au même titre que l'avance à l'allumage, la pression d'admission ou le calage de la distribution.
Cette variabilité est au service des objectifs à tenir, qu'il s'agisse d'améliorer la performance et l'efficacité énergétique ou de maîtriser plus finement les émissions polluantes et leur post traitement.
Un moteur selon l'invention est un moteur/compresseur par conception, il peut, de ce fait, générer de l'air comprimé lorsque la charge diminue ou s'inverse, par exemple dans le cadre d'un processus de régénération. Cet air comprimé, stocké dans un réservoir, peut indifféremment être réutilisé pour des phases motrices ou pour d'autres usages tels que climatisation, freinage, ou suspensions. La suralimentation « à la demande » est alors rendue possible.
Contrairement aux machines existantes, un moteur selon l'invention n'utilise pas de soupapes commandées générant des pertes mécaniques au niveau des cames ou des ressorts, des risques de rupture (affolement) à haut régime, des pertes de charge dans les conduits et imposant des formes de culasses non optimales.
Ce moteur utilise des « lumières », à la mode des moteurs deux temps, logées dans les deux couronnes périphériques.
La géométrie de ce moteur, doté de ses couronnes périphériques logeant les conduits d'admission/transfert et d'échappement, rend possible un diagramme de distribution totalement variable en calage et durée au gré des positions angulaires des dites couronnes ; deux moteurs pas à pas pilotés assurant sans efforts cette fonction .
La versatilité d'un moteur selon l'invention permet d'envisager tous les modes de fonctionnement possibles en termes de cycles à combustion interne (Miller, Atkinson, Split, 5 temps Ilmor, ...) ou externe (Rankine, Stirling, ....) . Un moteur selon l'invention peut également être utilisé avec tout type de source thermique, chaude ou froide .
Dans une réalisation particulière, ce moteur peut être accouplé à une machine électrique réversible pour former une architecture hybride. Une telle architecture peut, par exemple, être embarquée dans un véhicule pour servir directement à la mise en mouvement de véhicule ou à la génération d'électricité. Elle peut également être utilisée comme Cogénérateur Absolu, pour être utilisée en stationnaire dans un logement.
Un tel moteur peut s'adapter aux besoins énergétiques en termes de puissance et de vecteur tout en optimisant son mode de fonctionnement en termes de conversion et consommation du potentiel énergétique disponible quel que soit sa forme.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur thermique à pistons alternatifs comportant
- un carter mobile (10) rotatif muni de deux cylindres (11, 12) disposés en croix dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du carter,
- deux pistons bicéphales (13, 14) installés dans les deux cylindres, ménageant ainsi quatre chambres destinées à contenir un gaz de travail,
le moteur étant tel que lors de la rotation du carter mobile, les chambres contenant le gaz de travail sont alternativement positionnées dans un premier et second environnements, ces environnements étant respectivement maintenus à une première et une seconde températures prédéterminées en fonction du type de fonctionnement de moteur souhaité.
2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel les pistons (13,14) forment un angle de 90° entre eux et sont traversés en leur centre par un vilebrequin (16) dont l'axe de rotation est excentré par rapport à l'axe de rotation du carter (10) .
3. Moteur selon la revendication 2, dans lequel la valeur de 1 ' excentration de l'axe du vilebrequin (16) par rapport à l'axe de rotation du carter est égale à une demi-longueur de course de piston.
4. Moteur selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des culasses (15a, 15b, 15c, 15d) positionnées aux extrémités de chacun des cylindres, ces culasses comportant une segmentation annulaire sphérique.
5. Moteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les cylindres comportent des chemises rotatives permettant d'obstruer ou de libérer les ports d'admission et d'échappement des cylindres.
6. Moteur selon la revendication 5, dans lequel les chemises rotatives sont pilotées par une couronne épicycloïdale .
7. Moteur selon la revendication 5, dans lequel les chemises rotatives sont entraînées en rotation selon un schéma cinématique prédéterminé.
8. Moteur selon l'une des revendications précédentes comportant une came et des cylindres flottants, dans lequel un mouvement de la came permet une variation du volume de la chambre de combustion interne.
9. Moteur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air admis dans les chambres est alternativement chauffé puis refroidi par des sources externes au moteur.
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Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3799035A (en) * 1970-06-21 1974-03-26 A Lamm Rotating piston engine
GB1446852A (en) * 1972-08-12 1976-08-18 Anidyne Corp Rotary machines
DE4228639A1 (de) * 1992-08-28 1994-03-03 Josef Gail Zylinderläufermaschine
DE19611824C1 (de) * 1996-03-26 1997-06-19 Josef Gail Dampfmotor
DE102005033448A1 (de) * 2005-07-18 2007-01-25 Josef Gail Druckgas-Zylinderläufermotor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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