[Blog de Remundo] Machines et Animaux non conventionnels

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Architecture du moteur par étages

Les figures 1 à 7 illustrent un dispositif 1, formant dans l'application illustrée un moteur à combustion interne. Le moteur 1 s’articule autour de 4 étages E1, E2, E3, E4, représentés plus particulièrement sur les figures 1 et 5, et se succédant suivant un axe 40 correspondant à l'axe de rotation de l'arbre de sortie 30 du moteur.
L'étage E1 est dédié à l’injection de carburant et au réglage du taux de compression. L'étage E2 est dédié à la conversion d'énergie (combustion). L'étage E3 est dédié aux échanges gazeux du moteur avec l’extérieur et forme une culasse. L'étage E4 est constitué par le mécanisme de conversion d'un mouvement rotatif alterné issu de l’étage E2 en un mouvement rotatif continu destiné à l’arbre de sortie du moteur.

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Variantes de l'étage E4 à came centrale rotative à 3 lobes et 1 lobe

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Tel qu'illustré en particulier aux figures 4 et 6, l’étage 2 se compose essentiellement d’un carter 6 de forme sensiblement tubulaire définissant un volume intérieur 41 obturé à ses extrémités par des plaques 5, 8 renfermant 4 pistons rotatifs 7A, 7B, 7C et 7D solidaires des arbres pivotants 47A, 47B, 47C, 47D.
Les pistons sont montés rotatifs autour d'axes individuels de rotation de pistons 50A, 50B, 50C, 50D parallèles et équidistants à l'axe de rotation 40 de l'arbre moteur 30.
Tel qu'illustré en particulier aux figures 2 et 6, les pistons 7A, 7B, 7C, 7D délimitent angulairement quatre chambres 42A, 42B, 42C, 42D s'étendant entre les plaques d'extrémité 5, 8 et entre deux pistons adjacents.
Des sculptures externes 43A, 43B, 43C, 43D sont intégrées aux pistons 7A, 7B, 7C, 7D, et les sculptures externes de deux pistons adjacents engrènent entre elles, de sorte que deux pistons adjacents tournent en sens opposé autour de leur axe de rotation 50A, 50B, 50C, 50D respectif.
Le volume de chacune des chambres 42A, 42B, 42C, 42D varie avec la rotation des pistons 7A, 7B, 7C, 7D entre un volume de compression (minimal) et un volume d'aspiration (maximal). Le volume de deux chambres adjacentes 42A, 42B, 42C, 42D varie de manière opposée.

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L’étage 2 est le cœur du moteur, car il est le lieu des conversions thermomécaniques.

Les 4 pistons rotatifs 7A, 7B, 7C, 7D sont animés d’un mouvement rotatif et alternatif d’une amplitude de 90°. Lorsque les pistons rotatifs sont en position verticale ou horizontale, ils deviennent tangents avec l’un des épaulements 67A, 67B, 67C, 67D solidaires du carter 6 et répartis à 90°. Ceci a pour effet de créer un effet de chasse d’air à l’intérieur de la chambre de combustion 42A, 42B, 42C, 42D et favorise la combustion lors de l’injection de carburant et/ou lors de l’allumage. Le mouvement de rotation alternative des 4 pistons 7A, 7B, 7C, 7D permet d’assurer dans chaque chambre de combustion l’admission des gaz frais, leur compression, l’explosion/détente et l'échappement.

Le refroidissement du moteur peut notamment se faire par l’intégration d’ailettes de refroidissement sur toute la périphérie du carter étanche 17, ou bien par la circulation d’un fluide réfrigérant dans l’épaisseur de ce carter comme suggéré par les perçages (P) fléchés à la figure 6 et leurs raccordements fléchés R1 et R3 à la figure 2.

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Variantes de l'étage E4 à came centrale rotative surmultilobée sur l'exemble de moteur à 2 et 3 paires de pistons rotatifs

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L'organe de modification de volume 3A, 3B, 3C, 3D forme un piston et permet une modification rapide du volume de compression et/ou du volume d'aspiration des chambres en pénétrant plus ou moins dans les chambres 42A, 42B, 42C, 42D. Ce pilotage peut se faire notamment par injection d’un fluide incompressible sous pression dans le corps creux 4A, 4B, 4C, 4D ou bien par un moteur électrique équipé d’un réducteur à vis sans fin poussant ou retirant le piston formé par l'organe de modification de volume 3A, 3B, 3C, 3D. Ce pilotage peut se faire indépendamment pour l’une ou l’autre des 4 chambres de combustion 42A, 42B, 42C, 42D. L’amplitude de réglage dépend des dimensions des pièces du moteur. Pour simplifier la commande, les pistons réglables 3A,3B,3C,3D pourraient être solidarisés et actionnés par un mécanisme commun, mais le réglage n’est alors plus indépendant d’une chambre à l’autre.

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Variantes de l'étage E4 à came centrale rotative surmultilobée sur l'exemble de moteur à une seule paire de pistons rotatifs

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Tel qu'illustré en particulier aux figures 2, 4 et 5, la culasse définissant l'étage E3 comporte essentiellement la plaque d'extrémité 8, 4 paires de soupapes 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 10H, une tubulure d'admission de gaz comburant 11, une tubulure d'échappement des gaz brûlés 12, une courroie de distribution 13, huit systèmes (64,65) de distribution rotative pour la gestion des admissions et des échappements tel que décrit à la figure 17.
La plaque 8 possède donc huit ouvertures, semi-circulaires dans le mode de réalisation illustré, assurant les échanges gazeux entre les chambres de combustion 42A, 42B, 42C, 42D et l’extérieur du moteur au travers des 8 distributeurs rotatifs. Quatre de ces ouvertures forment des lumières d'admission 61A, 61B, 61C, 61D. Les quatre autres ouvertures forment des lumières d'échappement 62A, 62B, 62C, 62D.
Les soupapes permettant d'obturer les lumières d'admission 61A, 61B, 61C, 61D forment des soupapes d'admission 10A, 10C, 10E, 10G. Les soupapes permettant d'obturer les lumières d'échappement 62A, 62B, 62C, 62D forment des soupapes d'échappement 10B, 10D, 10F, 10H.
Le mouvement de rotation continue de l’arbre de sortie du moteur 30 est transmis au porte-satellites 17 de chacune des soupapes 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 10H par l'intermédiaire de la courroie de distribution 13. La rotation de l'arbre du moteur 30 est avantageusement transmise mécaniquement (par des moyens non représentés) à la courroie de distribution 13.
En variante, la rotation de l’arbre de sortie du moteur 30 pourrait être relevée par un capteur et transmise à la courroie de distribution 13 par un moteur électrique commandé en fonction de la rotation de l’arbre moteur 30 relevée par le capteur.

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Dispositif de calage variable des soupapes entièrement pilotable en phase et en ouverture

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Les systèmes de distribution rotative ont même la possibilité de désactiver à volonté 1, 2 ou 3 des 4 chambres de combustion 42A, 42B, 42C, 42D afin d’éviter des échanges gazeux ou des compressions non désirées, en laissant les soupapes respectivement constamment fermées ou ouvertes.

Ceci confère une grande flexibilité au moteur car sa cylindrée devient variable, par palier de 25% de sa puissance totale dans le cas d'un moteur à quatre pistons 7A, 7B, 7C, 7D.

Le graissage ou la lubrification des soupapes sont possibles afin de diminuer les frottements et d’augmenter simultanément la longévité et l’étanchéité du dispositif.
Dans un souci de simplification du moteur, le système de distribution rotative pourrait être supprimé par exemple en actionnant directement l'obturateur rotatif 14. Dans ce cas, le moteur disposerait de possibilités de réglages inférieures, tant à l’admission qu’à l’échappement. On peut aussi envisager une distribution rotative basée sur une seule plaque circulaire en rotation autour de l’axe 40 dont les perçages libèreraient de façon intermittente les lumières d’admission 61 et/ou d’échappement 62 de chaque chambre 42 comme illustré à la fig. 18.

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Les coulisseaux verticaux 21, 22 se déplaçent en sens opposé l'un de l'autre suivant la direction verticale 48, tandis que les coulisseaux horizontaux 23, 24 se déplacent en sens opposé suivant la direction horizontale 49. Par ailleurs, les coulisseaux (21 et 22) sont les plus rapprochés lorsque les coulisseaux (23 et 24) sont les plus éloignés, et inversement.
Le centre de chacune des quatre bielles 25, 26, 27, 28 est monté rotatif sur les excentriques 9A, 9B, 9C, 9D, de sorte qu'il récupère le mouvement rotatif alternatif à 90° de chaque extrémité des arbres pivotants 47A, 47B, 47C, 47D.
Les poussoirs horizontaux 31, 32 sont fixés sur les coulisseaux verticaux 21, 22, tandis que les poussoirs verticaux 33, 34 sont fixés sur les coulisseaux horizontaux 23, 24.

Enfin, chacun des poussoirs 31, 32, 33, 34 prend appui sur les manetons 44, 45 diamétralement opposés de l’arbre de sortie 30, ce qui permet d’obtenir un mouvement de rotation continue, comme le montrent les figures 8A, 8B, 8C, 8D. Plus précisément, chacun des manetons 44, 45 est poussé simultanément par l'un des poussoirs horizontaux 31, 32 et l'un des poussoirs verticaux 33, 34.

La cinématique engendrée par ce dispositif présente l’avantage de franchir rapidement le point mort haut. Ainsi, on obtient :
- une réduction de la production de polluants de type NOx au point mort haut par réduction du temps de passage du point mort haut,
- une réduction des fuites thermiques du gaz hautement comprimé, voire brûlé partiellement ou totalement, donc une meilleure conservation de son énergie
- une meilleure restitution de l’énergie des gaz lors d’une détente qui dure plus longtemps,
- un meilleur remplissage des chambres lors de l’admission qui dure plus longtemps,
- dans le cadre d’un fonctionnement du moteur en tant que pompe, la continuité du débit de fluide pompé.

Afin d’assurer la lubrification optimale du mécanisme de conversion de mouvement définissant l'étage E4, il est possible de le placer dans un bain d’huile.

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L’objectif prioritaire de ce moteur est d’avoir une compacité maximale. On peut remarquer que le volume de gaz frais aspiré par ce moteur est proportionnel au carré de sa dimension caractéristique, que l’on peut définir par le double de la longueur des pistons rotatifs, à la différence des moteurs traditionnels à pistons/bielle/manivelle qui n’aspirent que des volumes proportionnels à leur dimension caractéristique, que l’on peut définir par la course du piston.

Par ailleurs, tous les accessoires du moteur, à l’exception des injecteurs, ont un volume réduit au minimum. Ceci donne au moteur objet de l'invention une compacité exceptionnelle.

A puissance égale, la compacité pourrait être accrue d'un facteur 3 par rapport à un moteur à pistons/bielle/manivelle/carter, et même d'un facteur 4 en supprimant l'étage E1, et encore bien plus en utilisant une came centrale rotative surmultilobée.

Dans le prolongement de cette forte compacité, les volumes et masses de matière nécessaires à la construction d’un tel moteur seraient très nettement inférieurs à ceux requis par les techniques actuelles. Dimensionnée pour des pressions de 100 Bar, la machine objet de l'invention utiliserait entre 20 et 25 kg d’acier de qualité usuelle en la matière par litre de cylindrée.

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En conséquence, ce moteur autorise :

- une réduction très importante des coûts de fabrication,

- une hybridation des véhicules : l’espace libéré peut être occupé par un second moteur non thermique ainsi que par son dispositif de stockage d’énergie,

- le freinage des véhicules par récupération de leur énergie cinétique : les gains d’espace sont alors occupés par le dispositif de récupération,

- une liberté de conception accrue : les gains d’espace permettent de donner de l’aisance dans l’habitacle, d’obtenir des angles de braquage plus grands, voire même de motoriser un véhicule par plusieurs petits moteurs dédiés soit à un essieu, soit à chaque roue (véhicule 4x4 sans transmission intégrale, moto 2x2…).

- une augmentation de la puissance des moteurs :

· par un meilleur remplissage à l’admission,

· par une combustion favorisée par les tourbillons créés lors de la compression,

· à volume égal, une puissance 3 à 4 fois plus grande que celle d’un moteur à pistons/bielle/manivelle.

Ce moteur procure également divers avantages d'un point de vue environnemental, tels que :

- une réduction de la pollution des véhicules :

· en implantant des dispositifs de dépollution des gaz plus puissants grâce au gain de place que procure ce moteur,

· en utilisant un mode de propulsion hybride non polluant chaque fois que c’est nécessaire, en particulier en ville,

· en ayant une meilleure combustion dans les chambres de combustion,

· en ayant moins de pertes dans la boîte de vitesses : le moteur objet de l'invention produit un mouvement de rotation lent, mais à fort couple dès les bas régimes, en particulier si l’on utilise une came centrale fortement multilobée ; cela permet de limiter la pignonnerie de démultiplication, ce qui est idéal pour tracter une charge,

· la compatibilité avec tout type de carburant, en particulier les moins polluants : les biocarburants (huiles végétales ou alcools), le gaz naturel et surtout l’hydrogène,

- l’exploitation du réglage des taux de compression et d’une cinématique pilotée par le profil de came choisi qui ouvre la voie à de nouveaux types de combustion :

- le mode thermo-allumage contrôlé (CAI/HCCI) : controlled auto ignition / homogene charge compression ignition),
le mode photo-allumage : combustion déclenchée par le rayonnement résultant de très hautes températures soudaines obtenues par une compression brutale et des taux de compression plus grands.

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De plus, tel qu’illustré aux figures 12 à 16, le fait de surmultilober fortement la came, c’est à dire de multiplier le nombre minimal de lobes qu’elle doit comporter (à savoir le nombre de paires de pistons) par un nombre entier positif, permet à la came centrale, sans la rendre plus encombrante ni plus fragile, d’avoir deux fonctions : - d’une part, un paramétrage très fin du mouvement des pistons rotatifs 7 en fonction de la rotation de l’arbre moteur 30

- d’autre part, la démultiplication du mouvement avec un bon rendement (simplifiant, voire supprimant la boîte de vitesses).

[Tiennel]

Oui, bon, STOP.

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