FR2819853A1

FR2819853A1 - Mecanisme bielles-manivelles rotatif

Info

Publication number: FR2819853A1
Application number: FR0116433A
Authority: FR
Inventors: Jacques Busseuil
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2002-07-26
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: US20040045290A1; EP1366276A1; WO2002057606A9; JP2004530841A; FR2819853B1; WO2002057606A1

Abstract

Ce mécanismefonctionne sur le principe de LAHIRE, selon lequel chaque point d'un cercle,roulant dans un cercle de rayon double, décrit une hypocycloïderectiligne.Parfaitement équilibré dynamiquement, il réduitles frottements au minimum, et remplace avantageusement les bielles-manivellestraditionnelles, dont les vibrations et les frottements des pistons s'appuyantsur les cylindres constituent des inconvénients majeurs. Ilsera employé pour réaliser des moteurs rotatifs, capables d'utilisertoute source de chaleur, ou tout carburant, y compris l'hydrogène. Il sera également employé pour réaliser des machinesfrigorifiques ou pompes à chaleur, utilisant l'air comme fluide frigorigène,ou encore des machines destinées à extraire l'eau de l'air,utilisant l'énergie solaire. Il sera enfin employépour réaliser des compresseurs, des moteurs à air comprimé,des pompes ou moteurs hydrauliques, ainsi que des aspirateurs, des ventilateurs,ou des propulseurs nautiques.

Description

La présente invention concerne un mécanisme bielles-manivelles rotatif, permettant notamment de réaliser des moteurs à pistons, à combustion interne continue ou capables, plus généralement d'utiliser n'importe quelle source de chaleur.

Les moteurs à combustion interne, ayant à ce jour connu un développement industriel, sont les suivants : -Les moteurs alternatifs Diesel ou à explosion d'une part, qu'ils soient à deux ou quatre temps, qui présentent l'inconvénient, au niveau du système bielle-manivelle traditionnel, de comporter des mouvements anharmoniques, sources d'usure, de vibrations, et de bruit. De surcroît, dans ce système bielle-manivelle traditionnel, le piston exerce nécessairement une pression intense sur le cylindre, du fait de l'inclinaison de la bielle par rapport à l'axe du cylindre, ce qui entraîne frottement et baisse de rendement, et nécessite un refroidissement efficace et une lubrification permanente du cylindre. Ce type de moteur présente aussi l'inconvénient de comporter des dispositifs annexes complexes, pour introduire et enflammer le carburant à chaque cycle, ainsi que pour ouvrir et fermer des soupapes, dans le cas d'un moteur à quatre temps. Plus particulièrement, les moteurs à deux temps présentent en outre l'inconvénient d'avoir un rendement médiocre.

-Le moteur Wankel d'autre part, qui est un moteur rotatif et qui ne présente donc aucun mouvement anharmonique, mais qui comporte toujours une phase d'explosion avec les mêmes inconvénients que ci-dessus. Ce moteur utilise en outre les propriétés d'une cycloïde particulière, en forme de haricot, nécessitant des joints d'étanchéité complexes et dont l'efficacité et l'usure sont restées mal maîtrisées, ce qui explique du reste la quasi-disparition de ce type de moteur.

-Les turbines à gaz enfin, qui ne présentent aussi aucun mouvement anharmonique. Le cycle moteur ne comporte pas de phase d'explosion et la combustion y est continue. Toutefois, ces turbines ont un rendement dont l'optimum n'est atteint qu'à grande vitesse de rotation et très haute température. De surcroît, la compression est obtenue par l'effet de la vitesse de l'air, ce qui engendre des nuisances sonores

difficilement maîtrisables. Enfin leur prix de revient est élevé. Tout ceci explique que les turbines soient réservées aux fortes puissances et à des applications spécifiques.

Ces trois types de moteurs présentent en outre l'inconvénient commun de ne pas être aisément adaptables à toutes sortes de sources de chaleur. Ils fonctionnent en l'état avec des carburants dont les gaz de combustion sont polluants et dangereux pour l'avenir de notre planète.

Ce même mécanisme bielles-manivelles rotatif, objet de la présente invention, peut aussi être utilisé pour réaliser des machines frigorifiques ou des pompes à chaleur, selon des dispositions analogues à celles des moteurs thermiques, fonctionnant à l'envers, et utilisant l'air comme fluide frigorigène.

Les machines frigorifiques et les pompes à chaleur existant à ce jour présentent toutes l'inconvénient d'utiliser des fluides frigorigènes de type fréon dont les fuites, malheureusement inévitables, contribuent à la destruction de la couche d'ozone.

Ce même mécanisme bielles-manivelles rotatif, objet de la présente invention, peut encore être utilisé dans la fabrication de compresseurs ou de moteurs à air comprimé, à un ou plusieurs étages.

Ces appareils ne sont actuellement pas réversibles, les compresseurs à pistons comportent des soupapes automatiques, qui sont fragiles et sources de nuisances sonores. Les moteurs à air comprimé à pistons comportent, quant à eux, des soupapes commandées, avec les mêmes inconvénients. Le système bielle-manivelle présente en outre les mêmes inconvénients que s'agissant des moteurs thermiques.

Quant aux compresseurs et aux moteurs à air comprimé fonctionnant à palettes, à ailettes, à vis etc, ils présentent les mêmes inconvénients que les turbines ci avant.

Ce même mécanisme bielles-manivelles rotatif, objet de la présente invention, peut enfin être utilisé dans la fabrication de pompes ou de moteurs hydrauliques, ainsi que d'aspirateurs ou de ventilateurs, selon des dispositions analogues à celles des

compresseurs ou des moteurs à air comprimé, fonctionnant à un seul étage, avec un rapport volumétrique égal à un.

Ces machines fonctionnent actuellement soit avec des pistons, soit avec des palettes, avec les mêmes inconvénients que s'agissant des compresseurs ou des moteurs à air comprimé.

Le mécanisme bielles-manivelles rotatif, selon la présente invention, a précisément pour objet d'apporter une réponse technique et industrielle aux inconvénients ci-avant, et se caractérise par les dispositions générales suivantes, illustrées en vue éclatée par la figure 1.

1) Deux vilebrequins (l), disposés symétriquement de chaque côté du mécanisme et tournant autour du même axe fixe (4). Ces vilebrequins supportent des pistons (2), par l'intermédiaire de bielles (16) et de têtes de bielles (17) (généralement au nombre de quatre). Leur excentrique, distance entre l'axe fixe (4) de rotation des vilebrequins et les axes mobiles de rotation (5) des pieds de bielles, est égal à L.

Ces deux vilebrequins sont reliés entre eux par une couronne ou un étrier (13).

Chaque vilebrequin est constitué en général de deux manetons diamétralement opposés, excentrés d'une longueur L par rapport à une perforation axiale recevant un cylindre mâle fixe, faisant partie de la pièce centrale fixe ci-après décrite. Sur ces deux manetons, pivotent quatre bielles, deux pour chaque vilebrequin, constituées par un plat comportant une perforation axiale où se loge chaque maneton, et des dispositifs de fixation des têtes de bielles, à ses deux extrémités.

Ces têtes de bielles sont constituées par une pièce reliant les extrémités des bielles deux à deux, solidaire du ou des pistons pénétrant le ou les cylindres par l'extérieur. La couronne ou l'étrier périphérique se fixe sur les deux vilebrequins, par l'extérieur, et les rend solidaires l'un de l'autre. Ainsi les deux vilebrequins et

la couronne (ou l'étrier) constituent un seul et même vilebrequin externe, recevant le couple moteur ou récepteur du mécanisme. Le couple inverse est reçu par la pièce centrale fixe ci-après décrite. A noter que ce vilebrequin externe reçoit les éventuels organes de transmission.

2) Un bloc-cylindres (lys) supportant des cylindres (3), tournant autour d'un axe fixe (6) parallèle à l'axe fixe (4) de rotation des vilebrequins, la distance entre ces deux axes étant aussi égale à L. Ce bloc-cylindres est constitué d'un cylindre axial femelle, tournant autour d'un cylindre mâle fixe, faisant partie de la pièce centrale ci-après décrite. Sur ce cylindre axial femelle viennent se greffer les cylindres (3) recevant les pistons (2), disposés selon deux axes généralement orthogonaux. En fond des cylindres (3) se trouvent des perforations ou lumières (8) mettant en communication ces cylindres avec l'intérièur du bloc-cylindres.

2) Une pièce centrale fixe (7) supportant les axes de rotation (4) des vilebrequins (l), et du bloc-cylindres (les), les pieds de bielles décrivant alors, par rapport au bloc- cylindres, une cycloïde rectiligne dite de La Hire, ce qui rend précisément possible le fonctionnement de ce mécanisme. Sur cette pièce centrale fixe, sont prévus des dispositifs d'étanchéité (15) décrits plus loin. Cette pièce centrale fixe comporte, au centre, un cylindre mâle, placé sur un axe fixe (6), autour duquel pivote le bloc- cylindres, et de chaque côté, deux cylindres mâles placés sur un axe fixe (4), autour desquels pivotent les deux vilebrequins. L'axe (4) de ces deux cylindres et l'axe (6) du premier cylindre mâle sont parallèles et distants l'un de l'autre d'une longueur
L. A l'intérieur de la pièce centrale fixe, se trouvent des compartiments (9) où un fluide circule à des pressions relatives différentes. A noter que de chaque côté de la pièce centrale fixe, se trouvent des dispositifs de fixation de cette pièce centrale sur le bâti fixe, sur lequel le mécanisme est monté.

3) Des pistons (2) coulissant dans des cylindres (3), y délimitant des chambres de compression et/ou de détente, s'ouvrant en fin de phase de compression et/ou en début de phase de détente, par l'intermédiaire de lumières (S) en fond de cylindres, et de lumières, (10) pour la compression, et (ll) pour la détente, pratiquées sur la

pièce centrale fixe, dans un ou plusieurs compartiments centraux (9), placés à l'intérieur de cette pièce centrale fixe. Lesdites chambres de compression et/ou de détente s'ouvrent sur l'extérieur ou sur un compartiment à pression relative faible, en phase d'admission et/ou d'échappement, par l'intermédiaire des dites lumières (8) placées en fonds des cylindres, et de lumières (12) placées sur la pièce centrale fixe.

Ces dispositions générales permettent d'éviter tout mouvement anharmonique (mouvement rotatif), de supprimer toute usure provoquée par l'appui des pistons sur les cylindres, inévitable avec le système bielle-manivelle traditionnel, et par là même de faciliter la lubrification et le refroidissement du mécanisme. Par ailleurs, ces dispositions générales permettent l'utilisation de joints d'étanchéité circulaires ou toroïdaux, dont l'efficacité et l'usure sont parfaitement maîtrisées.

A noter que chaque piston a une élongation, dans son cylindre, de type 2Lsin zt et que l'on observe un déphasage d'un angle déterminé y entre les élongations afférentes à deux cylindres formant entre eux ce même angle y (généralement Il/2), tandis que les pieds de bielles forment entre eux, sur les vilebrequins, un angle 2y (généralement M).

Ainsi, la course des pistons est égale à quatre fois l'excentrique, soit 4L, la vitesse de rotation du bloc-cylindres et des pistons est égale à z, tandis que la vitesse de rotation du vilebrequin externe est égale à 2z, soit deux fois plus grande.

A noter encore que les axes de rotation (4) des vilebrequins et (6) du bloc-cylindres sont fixes, tandis que les axes (5) des manetons pivotent autour de l'axe (4) des vilebrequins, comme le montre la figure 2 représentant un schéma fonctionnel théorique vu en plan.

A noter enfin que les frottements, dans le mouvement du mécanisme, se situent d'une part au droit des pieds de bielles, dans leurs rotations sur les vilebrequins (généralement quatre rotations), d'autre part au centre des vilebrequins pivotant autour de la pièce centrale fixe (deux rotations), et enfin entre bloc-cylindres et pièce centrale fixe (une rotation). Ces frottements peuvent être minimisés soit par l'utilisation de roulements à billes ou à aiguilles, soit par l'emploi de coussinets sur

film d'huile, soit encore par friction de matériaux compatibles, par exemple téflon sur acier, carbone sur acier etc. D'autres frottements sont observés au droit des segments d'étanchéité.

Par ailleurs, il est proposé ci-après trois solutions techniques pour les dispositifs d'étanchéité (15), permettant d'assurer au moment voulu l'ouverture et la fermeture des lumières entre bloc-cylindres et pièce centrale fixe d'une part, et d'obtenir l'étanchéité entre elles des chambres dans lesquelles le fluide se trouve à des niveaux de pression différents, d'autre part.

La première solution, illustrée par la figure 3, représentant une partie de la pièce centrale fixe, consiste en une segmentation centrale, placée sur cette pièce centrale, de diamètre extérieur égal au diamètre intérieur du bloc-cylindres, de largeur m sur un

angle a, de largeur l, plus grande que m, sur un angle 2n-a. Une coupe biaise (21) est opérée à l'un des deux sauts de largeur, sur toute la largeur du segment, une coupe droite (22) est opérée à l'autre saut, sur une largeur l-m. Une lumière (10) ou (ll) est ouverte dans la partie la plus large du segment, laissant un angle b entre la coupe biaise et le bord le plus proche de la lumière, et un angle c entre la coupe droite et l'autre bord de la lumière. Ce segment est disposé dans un relief de la pièce centrale fixe, épousant la forme du segment, et comportant aussi une lumière (12) placée dans le même plan que la lumière (10) ou (l 1) ci-avant, s'ouvrant à l'opposé de celle-ci d'un bord à l'autre dudit relief, sur un angle a. Ainsi, lorsque le bloc-cylindres tourne autour de ce segment, les lumières (8) pratiquées en fond de cylindres, dans le même plan que ci-dessus, coïncideront successivement, dans la rotation même des cylindres, d'abord avec l'angle a et la lumière (12) s'ouvrant sur l'extérieur ou sur un compartiment de pression relative faible, puis avec l'angle b où elles seront fermées, puis avec la lumière (10) ou (ll) s'ouvrant sur une chambre haute pression placée dans la pièce centrale fixe, puis avec l'angle c où elles seront à nouveau fermées. C'est la pression même du fluide, à l'intérieur de la chambre haute pression, qui assure l'étanchéité entre cette chambre et l'extérieur d'une part, et la fermeture des lumières (8) pratiquées en fonds des cylindres pendant les phases de compression et/ou

de détente, d'autre part. A noter que, dans cette solution, le sens de rotation du bloc- cylindres n'est pas indifférent, et qu'il convient que l'ordre des parties de segments devant lesquelles se présentent les cylindres soit respecté (a, puis b, puis c). A noter encore qu'il existera des segments droits et des segments gauches, symétriques l'un par rapport à l'autre. A noter enfin que la bissectrice de l'angle a est perpendiculaire au plan des deux axes (4) et (6).

Ainsi, si la largeur de la lumière (8) divisée par le rayon du cylindre constituant le bloc-cylindres est égale à d, on démontre que a=TI-d, b=d pour effectuer une détente et c=d pour effectuer une compression d'une part, et que le taux de compression ou de détente, en volumes, est égal à 2/ (l+cos (c-b)).

La seconde solution, illustrée par la figure 4, consiste en la réalisation d'une pièce centrale fixe de même diamètre extérieur que le diamètre intérieur du bloc-cylindres, sans jeu et avec un état de surface parfaitement lisse. Il est alors pratiqué sur la pièce centrale une réduction du rayon r de cette pièce centrale de l'ordre du centième de millimètre, selon une bande (31) d'une largeur de IIr/2 environ. Une perforation (32) est pratiquée dans le sens de la longueur de la pièce centrale fixe, diamétralement opposée à la bande (31). Une coupe (33) est pratiquée entre cette perforation (32) et la bande (31). Deux perforations (34) sont pratiquées, le long de cette coupe, de même diamètre que la perforation (32), perpendiculairement à celle-ci et y débouchant. Il suffit alors d'introduire dans les perforations (34) deux tubes (35) ouverts dans le sens de la longueur, de mêmes diamètres extérieurs que les diamètres intérieurs de ces perforations. Dès lors, l'étanchéité recherchée est assurée par la pression même de la pièce centrale sur l'intérieur du bloc-cylindres.

La troisième solution consiste en la réalisation d'une pièce centrale fixe de même diamètre extérieur que le diamètre intérieur du bloc-cylindres, sans jeu ou avec un jeu micronique, avec un état de surface parfaitement lisse complété éventuellement par des stries formant labyrinthes. Dès lors, l'étanchéité recherchée est assurée par la pression de la pièce centrale fixe sur l'intérieur du bloc-cylindres ou par l'étroitesse et la forme de l'espace séparant cette pièce centrale et ce bloc-cylindres.

Quelle que soit la solution retenue, les matériaux choisis pour le bloc-cylindres et la pièce centrale doivent être compatibles et pouvoir glisser l'un sur l'autre avec un minimum de frottement, lequel peut être minimisé éventuellement par un film d'huile sous pression envoyée dans un espace en forme de coin.

Il existe de nombreuses applications des dispositions générales ci-avant, parmi lesquelles les mises en oeuvre ci-après décrites : -De multiples solutions existent pour réaliser des moteurs thermiques en employant le mécanisme bielles-manivelles objet de la présente invention, utilisant le cycle thermodynamique des moteurs à explosion classique ou des moteurs Diesel, l'explosion ou la combustion du carburant s'effectuant dans les mêmes chambres que la compression et la détente de l'air. Les deux solutions ci-après envisagées fonctionnent, quant à elles, avec une combustion continue ou un apport thermique continu effectués dans une chambre centrale unique située dans la pièce centrale fixe, ou dans le bâti fixe y raccordé. Cette disposition a notamment pour avantage de supprimer tout dispositif d'allumage, de permettre une combustion plus complète du carburant, dans le cas de moteurs à combustion continue, et d'ouvrir la possibilité d'utiliser de l'hydrogène comme carburant, ce qui est très difficilement envisageable avec les moteurs à explosion classiques. Pour la bonne compréhension de la suite des présentes, il convient de rappeler que, dans un moteur thermique, la transformation de l'énergie calorifique en énergie mécanique s'effectue par un cycle en cinq phases : admission, compression, combustion, détente et échappement. Lorsque ces cinq phases s'effectuent en un seul aller-retour de piston, on parle de moteur 2 temps , lorsqu'elles s'effectuent en deux allers-retours, on parle de moteur 4 temps . Dans un moteur à explosion classique, à deux ou quatre temps, l'apport thermique s'effectue à volume constant, dans le moteur Diesel, l'apport thermique s'effectue d'abord à volume constant, puis à pression constante, dans les deux solutions ci-après envisagées, l'apport thermique s'effectue à pression constante.

La première solution consiste à utiliser deux cylindres en compresseurs et deux cylindres, éventuellement de volume différent du volume des deux premiers, en détendeurs, un apport thermique s'effectuant à pression quasi-constante, entre la compression et la détente. Les deux premiers cylindres approvisionnent une chambre centrale, placée dans la pièce centrale fixe, en air comprimé. Les deux phases s'opérant dans ces cylindres sont l'admission et la compression. Les deux autres cylindres prélèvent l'air comprimé de cette chambre centrale. Les deux phases s'opérant dans ces cylindres sont la détente et l'échappement. L'apport thermique s'effectue à pression constante dans la chambre centrale. Lorsque cet apport s'effectue par combustion interne, celle-ci s'opère de façon continue, comme dans une chaudière, le combustible, qu'il s'agisse d'hydrocarbures liquides ou gazeux ou d'hydrogène, étant introduit directement dans'cette chambre centrale. Il ne s'agit donc pas d'un moteur à explosion, mais d'un moteur à combustion continue, comparable à cet égard à une turbine à gaz. A noter que la lumière (10) des deux premiers cylindres, fonctionnant en compresseurs, s'ouvre sur une extrémité de la chambre de combustion, tandis que la lumière (ll) des deux autres cylindres, fonctionnant en détendeurs, s'ouvre sur l'autre extrémité de cette chambre. Il se crée alors un flux d'air quasi continu dans la chambre centrale, permettant la-dite combustion continue.

Lorsque l'apport thermique s'effectue depuis une source de chaleur externe, qu'il s'agisse d'énergie solaire, nucléaire etc., la chambre centrale communique avec une chambre externe où l'air comprimé reçoit l'apport thermique. Cette chambre centrale est alors scindée en deux compartiments, l'un ouvert sur la lumière (10) des deux premiers cylindres fonctionnant en compresseurs, l'autre ouvert sur la lumière (l 1) des deux autres cylindres, fonctionnant en détendeurs. Il se crée alors un flux d'air quasi continu allant du premier au deuxième compartiment, en passant par la chambre externe.

Cette solution peut s'apparenter à un moteur à quatre temps puisque chaque cycle thermodynamique s'effectue en deux fois deux allers-retours de pistons.

A noter que ce type de moteur peut être utilisé notamment pour alimenter une chambre externe, où les gaz brûlés sont poussés après détente, alors qu'ils présentent encore une pression résiduelle. Si cette chambre s'ouvre sur l'extérieur par l'intermédiaire d'une tuyère, le moteur pourra être utilisé pour propulser un engin par une force de réaction.

La seconde solution, illustrée par la figure 5, consiste à utiliser la partie externe de chaque cylindre pour aspirer l'air neuf, par l'intermédiaire d'une perforation (19) pratiquée dans la paroi des cylindres, reliant cette partie externe des cylindres au centre du bloc-cylindres. Cette partie externe des cylindres est délimitée par des fermetures de cylindres (20) équipées de garnitures de tiges étanches, dans lesquelles coulissent les tiges de pistons. L'air neuf ainsi aspiré est refoulé, par la même perforation (19) et une lumière (8), dans les chambres internes des cylindres en fin de phase de détente, les gaz brûlés étant dans le même temps évacués à l'extérieur par une autre lumière (8). Pour ce faire, chaque cylindre comporte donc deux lumières (8), l'une en regard de la lumière (10) s'ouvrant en fin de compression, et l'autre en regard de la lumière (ll) s'ouvrant en début de détente. Ces lumières placées sur la pièce centrale fixe communiquent avec la chambre centrale dans laquelle s'effectue l'apport thermique. Comme dans le cas précédent, la lumière (10) communique avec une extrémité de la chambre de combustion, la lumière (11) communique avec l'autre extrémité, un flux d'air s'opérant de la lumière (10) à la lumière (ll), passant par la chambre centrale, permettant une combustion continue. Comme dans le cas précédent, ce moteur peut fonctionner à partir d'une source de chaleur externe, avec les mêmes dispositions que ci-avant, visant à externaliser la chambre centrale.

Dans la partie interne de chaque cylindre, s'effectuent successivement, lors de chaque aller-retour de piston, un balayage des gaz chauds par de l'air neuf, la compression de cet air neuf, et la détente après apport thermique.

Cette solution s'apparente donc à un moteur deux temps. Elle aura l'avantage, par rapport au cas précédent, de délivrer un couple moteur très régulier, même à très faible vitesse de rotation.

A noter que ce moteur peut être démarré par un simple apport d'air comprimé au niveau de l'admission. En effet cet air comprimé agira sur la partie extérieure des pistons, du fait de la différence de pression positive entre admission et échappement.

A noter encore que ces moteurs ont vocation à être montés directement dans une roue ou une hélice. A cet effet les deux vilebrequins sont solidairement reliés à cette roue ou à cette hélice, à laquelle ils transmettent directement le mouvement rotatif sans organe intermédiaire de transmission
Dans ce cas, la variation de puissance du moteur est obtenue par suralimentation. A cet effet, il est possible de comprimer l'air neuf, par détente des gaz d'échappement.

Cet air neuf comprimé sera alors refroidi par échange thermique avec l'extérieur, avant d'alimenter le moteur. Il est judicieux d'employer, pour ce faire, un dispositif autonome utilisant le même mécanisme bielles-manivelles rotatif, objet de la présente invention, permettant, par déplacement du bloc-cylindres le long de la pièce centrale fixe, d'obtenir des taux variables de compression sur air neuf, et de détente sur gaz brûlés. On utilise à cet effet un Mécanisme comportant quatre couples pistonscylindres, caractérisé en ce que les dits couples délimitent des chambres de détentes à taux variable pour deux d'entre eux, recevant les gaz chauds de ce moteur, où ils ont subi une première détente, et des chambres de compression à taux variable pour les deux autres couples, recevant l'air neuf et lui imprimant une première compression avant refroidissement et introduction dans le moteur.

-Les deux solutions ci-avant explicitées pour des moteurs thermiques peuvent être employées, selon les mêmes dispositions, pour réaliser des machines frigorifiques ou des pompes à chaleur, utilisant l'air comme fluide frigorigène. Deux différences doivent être soulignées entre ces dispositifs et les moteurs thermiques : La première concerne le taux de compression recherché. Il est maximum dans le cas des moteurs thermiques (par exemple rapport volumétrique de 15, rapport de pressions de 45, rapport de températures de 3), afin d'obtenir un rendement maximum. Ce taux de compression est au contraire minimum pour des machines

frigorifiques ou des pompes à chaleur (par exemple rapport volumétrique de 2, rapport de pressions de 2, 6, rapport de températures de 1, 3), afin d'obtenir un coefficient de performance maximum.

La seconde différence concerne l'échange thermique dans la chambre (9). Il y a apport calorifique dans le cas des moteurs alors qu'il y a prélèvement calorifique dans le cas des machines frigorifiques ou des pompes à chaleur. A cet effet, la chambre (9) sera externalisée, comme dans le cas du moteur thermique utilisant une source de chaleur externe, avec une sortie de l'air comprimé et une réintroduction de l'air, après refroidissement. Le corollaire de ce prélèvement calorifique est que les machines frigorifiques ou les pompes à chaleur doivent être mues par un moteur, électrique ou thermique, ou par une éolienne ou encore par une turbine hydraulique.

Les machines frigorifiques ainsi conçues pourront pomper l'air de l'intérieur d'une chambre froide, le compresser afin qu'il atteigne une température supérieure à la température extérieure, le refroidir par échange thermique avec l'extérieur, puis le détendre et le réintroduire dans la chambre froide. L'intérêt de ce dispositif est que, dans le même temps, de l'eau de condensation pourra être recueillie, en prime, juste avant la phase de détente. Ainsi, l'air sera asséché, ce qui limitera les phénomènes de givrage dans la chambre froide.

Quant aux pompes à chaleur ainsi conçues, elles pourront pomper l'air extérieur, froid, le compresser afin qu'il atteigne une température supérieure à celle du local, ou de l'eau, que l'on désire chauffer, le refroidir par échange thermique avec ce local ou cette eau, puis le détendre et le rééjecter vers l'extérieur. De l'eau de condensation pourra être recueillie, en prime, avant la phase de détente. Cette disposition a l'avantage de limiter, comme dans le cas précédent, les phénomènes de givrage.

-Une application majeure des dispositions qui précèdent consiste au mariage d'une machine frigorifique et d'un moteur thermique, aux fins de produire de l'eau, extraite de l'air, en utilisant, par exemple, l'énergie solaire. A cet effet, les mêmes dispositions que ci-avant seront utilisées, sans modification sur le plan mécanique. La différence se

situe dans les échanges thermiques opérés dans la chambre (9). Celle-ci est extemalisée, comme dans le cas des machines frigorifiques. L'air extérieur est d'abord comprimé, puis refroidi à pression constante par échange thermique avec l'extérieur.

L'eau de condensation est alors recueillie. Après un deuxième étage éventuel de compression, l'air ainsi asséché est alors échauffé par énergie solaire, en passant dans une enceinte en pyrex ou équivalent, vers laquelle les rayons solaires sont concentrés par tout moyen approprié (miroirs paraboliques, loupes...). Puis cet air est détendu avant d'être rééjecté vers l'extérieur. Il suffit que l'échauffement par énergie solaire compense, en volume, le refroidissement du premier échange thermique et la perte d'eau, pour que l'ensemble soit autonome. Les conséquences pratiques d'une telle application sont très importantes, puisqu'il est ainsi possible de produire de l'eau au milieu du désert, avec une technologie particulièrement rustique.

- S'agissant des compresseurs ou des moteurs à air comprimé, ceux-ci sont directement dérivés des dispositions générales. Lorsque quatre cylindres sont identiques, le compresseur ou le moteur à air comprimé est à un étage, ce qui convient pour des rapports de pressions variants de un à quarante environ, voire plus si la course des pistons est importante.

Lorsque l'on désire augmenter le rapport de pressions, par exemple pour des matériels de plongée utilisant du 200 bars, ou plus généralement pour tout matériel nécessitant un minimum d'autonomie (véhicules fonctionnant à air comprimé), il devient nécessaire de prévoir plusieurs étages de compression ou de détente, sans omettre d'effectuer un échange thermique avec l'extérieur entre chaque étage, de sorte que la compression ou la détente soit proche de l'isotherme. La figure 6 illustre, par exemple, en vue éclatée, un compresseur ou un moteur à air comprimé à cinq étages. Le premier est constitué par les deux plus gros cylindres (51), le deuxième étage est constitué par le cylindre (52), le troisième par le cylindre (53), le quatrième par le cylindre (54), et le cinquième par le cylindre (55), le plus petit. Les chambres

situées dans la pièce centrale fixe sont extemalisées et s'ouvrent sur des échangeurs thermiques avec l'extérieur.

Le circuit de l'air peut être modifié par rotation de ces échangeurs autour de la pièce centrale fixe, de sorte que le compresseur ou le moteur de base, à cinq étages, puisse aussi fonctionner à quatre étages (dans ce cas, le cylindre (55) est associé aux cylindres (sol)), à trois étages (dans ce cas, le cylindre (55) est associé au cylindre (52) et le cylindre (54) est associé aux cylindres (51)), à deux étages (dans ce cas, les cylindres (55) et (53) sont associés aux cylindres (51) et le cylindre (54) est associé au cylindre (52)). Ces dispositions, assurées par un distributeur rotatif représenté par la figure 7, permettent d'adapter le fonctionnement du moteur ou du compresseur à la pression variable de la réserve d'air comprimé. Elles permettent aussi, pour le moteur à air comprimé, de faire varier à volonté la puissance de celui-ci, quelle que soit la pression de la réserve.

Ce distributeur rotatif est réalisé grâce à une partie fixe centrale, en continuité des deux cylindres latéraux de la pièce centrale fixe, de chaque côté du mécanisme, et une partie périphérique pivotante, comportant trois échangeurs thermiques avec l'extérieur. Ces trois échangeurs sont repérés (66), (67), et (68). Les entrées et sorties d'air sont repérées (61) et (71) pour le premier étage, (62) et (72) pour le second, (63) et (73) pour le troisième, (64) et (74) pour le quatrième, et enfin (65) et (75) pour le cinquième.

L'entrée (61) de l'air extérieur s'effectue directement en extrémité. La sortie (71) s'effectue à l'autre extrémité, et communique avec l'entrée (62) par l'intermédiaire d'un échangeur thermique fixe. L'entrée (62) communique d'une part avec le compartiment du deuxième étage de compression, dans la pièce centrale fixe, et d'autre part avec une lumière (62) sur la périphérie de la partie centrale fixe, à 120 degrés d'une génératrice de référence où se trouvent deux sorties finales (76) et (77) d'air comprimé, de chaque côté du mécanisme. Les entrées/sorties (63) à (65) et (73) à (75) communiquent respectivement d'une part avec les compartiments des troisième, quatrième et cinquième étages, dans la pièce centrale fixe, et d'autre part

avec des lumières de mêmes numéros, sur la périphérie de la partie fixe, disposées à 120 degrés par rapport à la génératrice de référence pour les entrées (63), (64) et (65), et à-120 degrés par rapport à cette même génératrice, pour les sorties (72), (73), (74) et (75). Sur la partie périphérique pivotante, se trouvent des lumières disposées dans les mêmes plans que les lumières ci-dessus, en regard de celles-ci pour celles qui sont repérées par le même numéro suivi de l, décalées de 30 degrés pour celles qui sont repérées par le même numéro suivi de 2, de 60 degrés pour celles qui sont repérées par le même numéro suivi de 3, et enfin de 90 degrés pour celles qui sont repérées par le même numéro suivi de 4.

Les lumières (621), (761), et (771) sont bouchées.

La lumière (721) est reliée à la lumière (631) par l'échangeur (66).

La lumière (731) est reliée à la lumière (641) par l'échangeur (67).

La lumière (741) est reliée à la lumière (651) par l'échangeur (68).

(751) est reliée à (771), (722) à (721), (632) à (631), (731) à (731), (642) à (641), (742) à (772), (752) à (651), (622) à (641), (652) à l'extérieur, (723) à (721), (633) à (631), (733) à (773) et à (732), (641) à (763), (753) à (633), (643) à l'extérieur, (743) à (623), (653) à (651), (623) à (741), (724) à (764) et à (721), (774) à (631) et à (731), (754) à (651), (624) à (741), (654) et (634) à l'extérieur, (644) à (624), (754) à (651), (624) à (741), (744) à (724) et (734) à (754).

Dès lors, lorsque les lumières de la partie fixe sont en regard des lumières de mêmes numéro suivi de 1, la compresseur, ou le moteur fonctionne à cinq étages de compression, ou de détente, lorsqu'elles sont en regard des lumières de mêmes numéros suivi de 2, quatre étage, lorsqu'elles sont en regard des lumières de mêmes numéros suivi de 3, trois étages, et enfin lorsqu'elles sont en regard des lumières de mêmes numéros suivi de 4, à deux étages. Le passage d'un régime de fonctionnement à l'autre se fait par rotation de 30 degrés de la partie mobile.

A noter que les sections des diverses lumières et des canalisations sont calculées pour que les vitesses de circulation du fluide soient homogènes. Ces sections seront donc

plus importantes au premier étage qu'au second, au second qu'au troisième etc, proportionnellement à raison inverse de la pression.

-Lorsqu'un moteur à air comprimé ou un compresseur à un étage présente un rapport volumétrique de un, il est possible, en augmentant les dimensions relatives de la pièce centrale fixe, de réaliser, sans autre modification, des pompes ou des moteurs hydrauliques, ou encore des aspirateurs ou des ventilateurs. Une augmentation des dimensions relatives de la pièce centrale fixe a pour intérêt d'assurer une section de passage du fluide quasi-constante, du même ordre que celle des cylindres. Les lumières d'admission dans les cylindres sont alors de même section que les cylindres eux-mêmes.

A noter que le débit du fluide présente alors, pour quatre cylindres, une forme en sin zt +cos zt, pour zt compris entre 2kIl et 2kII +rI/2. Ainsi, ce débit passe par un minimum égal à 1, pour zt =0, et un maximum égal à 1,414, pour zt = il/4.

Il est possible d'égaliser ce débit soit en augmentant le nombre de cylindres, par exemple 8 cylindres déphasés de Il/4 (on démontre que, dans ce cas, le débit varie de 1 à 1,09), soit en adjoignant des compensateurs constitués par une chambre d'air ou un piston sur ressort, absorbant les variations de débit.

-Une application intéressante des dispositions qui précèdent sera constituée par le mariage d'un moteur à air comprimé et d'une pompe à eau. Si l'on reprend, par exemple, la figure 6, le premier étage peut être utilisé comme pompe à eau, tandis que les étages cinq, quatre, trois et deux sont utilisés en moteur à air comprimé, actionnant la pompe à eau. Il suffit d'injecter l'air sortant du deuxième étage dans l'eau, en aval de la pompe, pour obtenir un propulseur nautique.

Claims

REVENDICATIONS 1) Mécanisme bielles-manivelles rotatif comprenant une pièce centrale fixe (7), supportant deux vilebrequins (l) disposés symétriquement de chaque côté du mécanisme, tournant autour d'un axe fixe (4), cette même pièce centrale supportant également un bloc-cylindres (18) recevant des couples pistons- cylindres, tournant autour d'un autre axe fixe (6), les pistons (2) étant reliés aux vilebrequins (l) par des têtes de bielles (17) et des bielles (16), pivotant autour de deux manetons dont les axes mobiles (5) sont en opposition sur chaque vilebrequin (l), caractérisé en ce que les axes mobiles des manetons (5) sont excentrés par rapport à l'axe fixe des vilebrequins (4), d'une longueur L égale à la distance entre ce dernier axe fixe (4) et l'axe fixe de rotation (6) du bloc- cylindres (18), tous ces axes étant parallèles entre eux.
2) Mécanisme selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des dispositifs d'étanchéité (15) placés sur la pièce centrale fixe, composé d'un segment à coupe biaise, de diamètre extérieur égal au diamètre intérieur du bloc cylindres, placé dans un relief de la pièce centrale fixe, caractérisé en ce que le segment comporte deux sauts de largeur, l'un au niveau de la coupe biaise (21), l'autre au droit d'une coupe droite (22), des lumières étant pratiquées, d'une part en fonds de cylindres (8), d'autre part dans le même plan sur le segment au droit d'une chambre haute pression placée dans la pièce centrale fixe (10 ou 11), et enfin sur le relief de la pièce centrale fixe, toujours dans le même plan, à l'opposé de la lumière précédente, s'ouvrant sur l'extérieur ou sur une chambre à pression relative basse (12).
3) Mécanisme selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des dispositifs d'étanchéité (15) entre pièce centrale fixe et bloc-cylindres, obtenue par écartement de cette pièce centrale à l'intérieur du bloc-cylindres, caractérisé en ce que, le diamètre extérieur de la pièce centrale étant égal au diamètre intérieur du bloc-cylindres, une bande en long (31) de la pièce centrale est réduite, une perforation en long (32) est pratiquée à l'opposé de cette bande, une coupe (33) est

<Desc/Clms Page number 18>

effectuée entre cette perforation et cette bande, et deux perforations (34) de même diamètre que la première sont pratiquées perpendiculairement à celle-ci, le long de la coupe (33), de chaque côté de lumières (10 ou 11, et 12) à étancher, deux tubes (35) étant introduits à l'intérieur de ces deux perforations (34).
4) Mécanisme selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des dispositifs d'étanchéité entre pièce centrale fixe et bloc-cylindres, caractérisé en ce que, le diamètre extérieur de cette pièce centrale étant égal ou très légèrement inférieur au diamètre intérieur du bloc-cylindres, l'étanchéité est obtenue par les caractéristiques dimensionnelles de l'espace entre pièce centrale fixe et bloc- cylindres, des rainures labyrinthiques étant éventuellement pratiquées autour des lumières à étancher.
5) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, s'appliquant à un moteur rotatif thermique, comportant quatre couples pistons-cylindres, caractérisé en ce que ces couples délimitent des chambres de compression pour deux d'entre eux, et de détente pour les deux autres, s'ouvrant en fin de compression et en début de détente, par l'intermédiaire de lumières, sur une chambre centrale unique de combustion continue, ou d'apport thermique continu, placée dans la pièce centrale fixe.
6) Mécanisme selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les gaz d'échappement présentent une pression résiduelle positive et sont évacués par une tuyère, permettant de générer une force de propulsion par réaction.
7) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, s'appliquant à un moteur rotatif thermique, comportant quatre couples pistons-cylindres, caractérisé en ce que ces couples délimitent chacun des chambres de compression/détente côté pièce centrale fixe, et des chambres de ventilation, côté opposé, les premières s'ouvrant en fin de compression et en début de détente, par des lumières différentes (10 et 11), sur une chambre centrale unique de combustion continue ou d'apport thermique continu, placée dans la pièce centrale fixe, les secondes, délimitées par des fermetures de cylindres (20), s'ouvrant par des perforations (19)

<Desc/Clms Page number 19>

sur les premières entre la phase de détente et la phase de compression, afin d'assurer le balayage des gaz chauds après détente.
8) Mécanisme selon les revendications 5 ou 7, caractérisé en ce que les deux vilebrequins sont placés au centre d'une roue ou d'une hélice, à laquelle ils sont solidairement reliés, et transmettent directement le mouvement rotatif, sans organe de transmission intermédiaire.
9) Mécanisme selon la revendication 7, caractérisé par un dispositif de démarrage à air comprimé, obtenu par une différence de pression positive entre admission et échappement.
10) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comportant quatre couples pistons-cylindres, s'appliquant à la suralimentation d'un moteur thermique, caractérisé en ce que les dits couples délimitent des chambres de détentes à taux variable pour deux d'entre eux, recevant les gaz chauds de ce moteur, où ils ont subi une première détente, et des chambres de compression à taux variable pour les deux autres couples, recevant l'air neuf et lui imprimant une première compression avant refroidissement et introduction dans le moteur.
11) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 5 ou 7, mu par un moteur électrique, un moteur thermique, ou une éolienne, ou encore une turbine hydraulique, caractérisé en ce que l'apport thermique dans la chambre centrale, pour les moteurs, est remplacé par un prélèvement thermique, ce mécanisme s'appliquant alors à des machines frigorifiques ou pompes à chaleur.
12) Mécanisme selon la revendication 11, utilisée pour extraire l'eau de l'air, par condensation après compression et refroidissement, caractérisé en ce que cet air est ensuite réchauffé, par exemple grâce à de l'énergie solaire, après un éventuel second étage de compression, avant d'être détendu, l'apport d'énergie permettant de compenser, en volume, ledit refroidissement et la perte d'eau, et assurant par là même l'autonomie de fonctionnement de la machine.
13) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, s'appliquant à des compresseurs ou à des moteurs à air comprimé, caractérisé en ce que les pistons et

<Desc/Clms Page number 20>

les cylindres délimitent des chambres de compression pour les compresseurs, de détente pour les moteurs, s'ouvrant en fin de compression ou en début de détente sur une ou plusieurs chambres centrales, organisées en un ou plusieurs étages, placées dans la pièce centrale fixe, ces chambres centrales s'ouvrant entre chaque étage sur un échangeur thermique externe.
14) Mécanisme selon la revendication 13, caractérisés en ce que les chambres centrales s'ouvrent sur un dispositif rotatif de distribution, permettant de faire varier le nombre d'étages de compression ou de détente, afin d'adapter le fonctionnement du compresseur ou du moteur à la pression de l'air comprimé, considérée comme variable.
15) Mécanisme selon la revendication 13 s'appliquant à des pompes, à des moteurs hydrauliques, à des aspirateurs ou ventilateurs, caractérisé en ce que la compression ou la détente du fluide s'effectue en un étage, avec un rapport volumétrique de un, les lumières (8) pratiquées en pieds de cylindres étant de même section que les cylindres eux-mêmes.
16) Mécanisme selon la revendication 13 comportant plusieurs étages, caractérisé en ce que le premier étage est utilisé comme pompe à eau, avec un rapport volumétrique de un et des lumières (S) en pieds de cylindres de mêmes sections que ces cylindres, tandis que les autres étages sont utilisés comme moteur à air comprimé, l'air en sortant étant introduit dans l'eau, en aval de la pompe, où il effectue une dernière détente, permettant d'augmenter la vitesse d'éjection de l'eau par une tuyère, le mécanisme s'appliquant alors à un propulseur nautique à air comprimé.