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Machine rotative à pistons, Plus spécialement destinée à servir de compresseur, de pompe, de moteur à. combustion interne ou de moteur principal similaire actionne par des gaz ou des vapeurs sous tension.
La présente invention a trait à une machine rotative à pistons, plus spécialement destinée à servir de compresseur, de pompe, de moteur à combustion interne ou autre moteur principal actionné par des gaz ou des vapeurs et comportant au moins deux pistons tournant à l'intérieur d'un espace annulaire de section cy-
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lindrique et dont 1*un est animé d'un mouvement unidi- rectionnel non uni forme, de sorte qu'il se meut alternativement plus vite et plus lentement que l'autre piston, les capacités volumétriques des chambres comprises entre ces pistons étant de ce faitsoumises à des variations alternatives produisant des changements d'état, de pression ou de mouvement du milieu contenu dans ces chambres.
On oonnait déjà des machines rotatives avec pistons d'un genre analogue mais dont l'espace où se déplacent les pistons est de section rectangulaire ou demi-cylindrique, ou a la forme d'un ovale irrégulier.
Les pistons qui fonctionnent dans ces espaces ont généralement la forme d'une plaque ou sont des crganes ayant la forme de segments de cercle.
Il n'existe toutefois que peù de possibilités pratiques de rendre épanches d'une manière suffisante et durable des pistons ayant cette forme. Il est par- ticulièrement difficile de rendre étanches de telles machines rotatives avec pistons lorsqu'elles doivent servir de moteur calorique où, en raison des tempéra- tures élevées, on ne peut employer que des joint* mé- talliques.
On confiait des machines rotatives avec pistons d'un genre analogue mais dont l'espace où se meu0 vent les pistons est aussi annulaire et de section cylindrique. Les pistons fonctionnant dans cet espace ont la forme de segments de cercle et sont aménagés à la périphérie de deux disques se touchant. Le trajet de déplacement des pistons est constitué par deux espaces creux annulaires de section demi-cylindrique formés par deux
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moitiés de carter fixe dans lesquelles tournent les pistons. Cette disposition a pour inconvénient que les pistons, en raison de la très grande vitesse dont ils sont animés, ont à vaincre une résistance de frot- tement relativement importante; ceci a pour effet de réduire notablement le rendement mécanique des machines à pistons de ce genre.
Un autre inconvénient réside en ce qu'il est très difficile de réaliser l'étan- ohéité de l'espace où se meuvent les pistons car il s agit de rendre étanches au moins quatre joints ou plus d'organes divers. En outre, le caractère de fixité du carter où se déplacent les pistons ne pennet qu'une convection très lente de chaleur et d'air entre le carter fixe et les organes adjacents, ce qui cause un refroidissenent défectueux; ceci a une grande importance lorsque la machine doit être utilisée comme moteur calorique.
La présente invention élimine les inconvénients que présentent les machines rotatives à piston connues. D'après cette invention l'espace annulaire où se meuvent les pistons est constitué par deux évidements annulaires creusés dans des disques tournants en contact entre eux et par un organe circulaire aménagé sur leur périphérie; un des pistons d'une paire est solidaire d'un des disques et l'autre piston de cette paire est solidaire de l'autre disque rotatif.
Dans les dessins annexés:
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la fig, 1 est une coupe, prise suivant la ligne 1-1 de la fig. 2 d'une machine rotative à pistons construite comme moteur à combustion interne et représentée en partie schématiquement; la fig. 2 estt une coupe prise suivant la ligne II-II de la fig, 1 et représentant la même machine ; les fig, 3 à 14 inclusivement représentent schématiquement les pistons et les roues dentées dans des positions différentes.
Si l'on se reporte aux dessins, dans l'exemple représenté les références 1 et 2 désignent deux poutrelles sur lesquelles est fixé lee carter qui com- prend les deux parties 3 et 4. Dans ce carter se trouvent deux arbres 7 et 8 montés en ligne au moyen d'un roulement à billes 5 et de roulements à rouleaux 6.
Les disques 9 et 10 respectivement sont montés sur ces arbres et chacun d'eux est olaveté sur son arbre respectif. Un organe annulaire 11 est disposé entre les disques 9 et 10 sur leur périphérie et est maintenu en position rigide au moyen de vis sur les parties 3 et 4 du carter. L'organe annulaire 11 etles disques 9 et 10 présentent chacun une cavité concave lla, 9a et 10a respectivement de section arrondie, ces cavités formant par leur réunion l'espace annulaire fermé 12 de section cylindrique. Le joint 13 entre les deux disques 9 et 10 et le joint 14 entre les disques etl'organe annulaire 11 sont rendus étanchesà 1 'ai- de de segments 15 et 16 respectivement,
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L'organe annulaire 11 est craux et présente un espace 11a pour la circulation d'un milieu réfrigérant.
Dans l'organe creux 11 se trouvent deux bou- giea d'allumage 17 et 18 respectivement qui font saillie entre les chambres de refroidissement. Les références 19 et 20 désignent les pistons disposés par paire et pouvant tourner et glisser dans la cavité 12; ils ont la forme de segments de bagues$ de scetion cylin- drique. Ces pistons sont munis de segments 21 pour les rendre étanches. Les pistons 20 sont fixés au disque 9 au moyen de vis 25. Des roues dentées elliptiques 24 et 25 sont montées à demeure sur les extrémités exté- rieures des arbres 7 et 8 respectivement et sont en prise constante avec deux roues dentées elliptiques 26 et 27 respectivement.
Les roues dentées 26 et 27 sont montées à demeure sur un arbre de renvoi commun 28 pouvant tourner dans des roulements à. billes 29 ménagés sur les consoles 30 du carter.
La fig, 3 représente schématiquement les mêmes positions relatives des roues dentées elliptiques que celles de la fig. 2 lorsque les pistons 19 et 20 se trouvent dans/la position indiquée fig. 3 Dans cette position les pistons divisent la cavité annulaire 12 en quatre chambres a b c d Les chan- bres a et b sont relativement petites alors que les chambres c et d ont une capacité volumétrique infiniment plus importante.
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Si 1*on suppose que la chambre est en communication par une soupape d'admission (non représen- tée) avec un carburateur à essence de construction appropriée etque l'arbre 7, cçuplé avec un arbre de transmission entrainé par le moteursoit pourvu d'un volant de manière à tourner uniformément, l'arbre 7 tournera dans le sens de la flèche A des fig. 5 à 14.
Dansla position de la fig. 3 lesrayons r1 r2 r3 et r4 des roues dentées 24, 25, 26 et 27 sont égaux et il en résulte que ces différentes roues,) et en particulier les arbres 7 et 8,tournentà des vitesses angulaires égales. Cependant, lorsque l'arbre 7 continue à tourner, la vitesse angulaire des diverses roues dentées varie de telle sorte que les roues dentées 26, 27 et 25 subissent une accélération crossan te de vitesse angulaire. Dans la position représentée fig. 4, l'acoélération de la vitesse angulaire des roues 26,27 et 25 a atteint sa valeur optima. Les rayons r1 des roues 24 et 27 sont notablement plus grands que les rayons r2r4 des roues 26 et 25 et de ce fait on atteint la plus grande vitesse angulaire des roues 26 et 25 et, par suite, de l'arbre 8 par rapport à l'arbre 7.
Les pistons 19, qui se trouvent en liaison avec l'arbre 8 qui tourne plus vite, tournent donc plus viteque lespistons 20 couplés avec l'arbre 7 qui tourne plus lentement, et il en résulte que les pistons occupent les positions relatives représentées à la partie inférieure de la fig. 4. Comme on peut le voir, les chambres et b ont agrandi leur capacité volumétrique alors que les chambres et 1 ont vu leur capacité
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diminuer. Comme l'expace a est en communication avec un carburateur à essence, au moyen d'une soupape appropriée, il s'ensuit qu'en raison de l'augmentation du volume de la chambre a un mélange d'air et d'es- sence est passé du carburateur dans cette chambre. L' arbre 7 continue à tourner dans le sens de la flèche A.
Il en résulte que les organes se déplacent vers des positions différentes, par exemple celles représentées fig. 5, dans lesquelles les vitesses angulaires approchent celles correspondant à. l'emploi de soupapes ordi- naires. Entre-temps, c'est-à-dire jusqu'à ce que ces valeurs moyennes soient atteintes, les pistons 19 ont tourné constamment plus vite que les pistons 20 de manière à prendre la position représentée fig. 5. La ca- pacité volume trique des chambres a et b a donc conti- nuellement augmenté jusqu'à une valeur optima correspondant à celle de la fig. 5, tandis que celle des chambres a et 1 a été réduite à sa valeur la plus faible.
La soupape d'admission de la chambre a est restée ouverte jusqu'à cet instant et un mélange combustible, ayant approximativement la pression atmos- phérique, est entré à l'intérieur de la chambre a.
Lorsque les pistons sont parvenus dans les positions de la fig. 5, la soupape d'admission se ferme l'arbre 7 et les roues dentées 24 continuant à tourner et prenant la position, donnée à'titre d'exemple, de la fig. 6. Les positions relatives des roues dentées 24, 25, 26 et 27, ;xi indiquées fig. 6, montrent que 1 'arbre 8 et, par suite, les pistons 19 se déplacent à une vitesse angulai- re inférieure à celle des. pis tons 20 et, par suite, sont en retard sur les pistons 20 parce que dans les
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positions représentées, les rayons r1, r3 des roàea dentées 24 et27 qui sont motrices, sont plus petits que les rayons r2 et r4 des roues entraînées 26 et 25.
Les chambres a et b, comprises entre les pi stons, se sont donc quelque peu réduites en comparaison de leur capacité précédente etles chambres .0. et .il se sont agrandies d'autant. Cette contraction de la capacité volumétrique des chambres a et b représentée aux fig.
7 et 8, continue à s'accentuer comme conséquence de la rotation de l'arbre 7, jusqu'à ce que les chambres.! et ± se soient réduites à leur oapacité la plus faible et que les chambres c et aient atteint leur capacité volume trique la plus forte, Les pistons occupent alors les positions indiquées par la fig. 9. Cette contrac- tion du volume de la chambre a a pour conséquence une compression adiabatique correspondante et progressive du mélange combustible contenu dans cette chambre. La compression atteint son maximum lorsque les organes occupent les positions représentées fig. 9.
A cet instant, et sana qu'il y aitt lieu de recourir à une avance quelconque de l'allumage, une étincelle électrique jaillit à la bougie 18 faisant saillie à l'intérieur de la chambre a étincelle qui est produits par un ap- pareil d'allumage appropriée, qui n'a pas été représenté, ce genre d'appareil étantsuffisamment connu. L' étincelle enflamme le mélange combustible contenu dans la chambre a Le mouvement de rotation de l'arbre 7 se continuant à partir de la position représentée fig. 9, la vitesse angulaire des arbres et des roues 26, 27, 25
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s'accélère à nouveau etatteint son maximum lorsque les organes se trouvent dans la posi tion que représente la fig. 10.
Les pistons 19 tournent donc plus vite que les pistons 20 et il en résulte que les ca- pacités des chambres a et b recommencent à s'agrandir et que les gaz enflammés se trouvant dans la chambre a peuvent se détendre. La pression que produit cette détente des gaz à l'intérieur de la chambre a comanique une nouvelle impulsion d'énergie au moteur de la manière suivante. La pression des gaz de combustion dans la chambre a se transmett aux deux pistons correspondants 19 et 20 La pression qui s'exerce sur le piston 20 a pour effet de freiner l'arbre 7 alors que la pression qui s'exerce sur le pi ston 19 a pour effet d'accélérer le mouvement de l'arbre 8 dans le sens de la flèche de la fig. 10.
L'effort de freinage appliqué à l'arbre 7 par la force agissant sur le piston 20 est égal au produit de la pression du piston par le rayon moyen R, fig. 10 ou exprimé en chiffres, l'effort de freinage en arrière est:
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- Udo - P.R, L't'effort d'entrainement en avant agis- sant sur le pis ton 19 engendre sur l'arbre 8 un effort de même valeur. Cet effort est transmis par 1 arbre 8, en passant par les roues dentées 24 25, 26, 27 à l'arbre 7, et il est indispensable de tenir compte du rapport de transmission momentané des roues.
Dans le cas qui correspond à. la position des organes que représente la fig. 10, l'effort se produisant dans le sens de l'entraînement est le suivant:
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NDy" Po R. r3 = ri r4 rg
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Comme on le voit à la fig, 10, la* rayons r3 et r1 du numérateur sont plus grands que les rayons r4 et r2 du dénominateur. En conséquence, l'effort d'en- traînement en avant MdV atténue l'effort de freinage Mdr et il en résulte que le moteur peut fournir une puissance correspondante.
Les organes individuela représentés fig, 10 continuent à tourner dans le sens indiqué et arrivent finalement aux positions de la fig. 11, pour lesquelles les chambres.!. et b sont arrivées à leur capacité volumétrique maxima. L'expansion des gaz contenus dans la chambre a a pris fin et ceux-ci peuvent sortir de la chambre.!. au moyen d'une soupape d'édchappement appropriée (non représen tée) , Le mouvement de rotation se poursuivant, le volume de la chambre 1 continue à diminuer (voir fig. 12 et 13) et les pistons 19 et 20 se rapprochant constamment chassentalors les gaz brulés hors de cette chambre. Pour les positions occupées par les organes de la fig. 14, la chambre a a de nouveau atteint sa capacité volumétrique la plus faible ; à ce moment l'échappement des gaz brûlés est terminé et la soupape d'échappement se ferme.
La chambre!!:. se trouve alors de nouveau dans sa position initiale de la fig. 3. La soupape d'admission s'ouvre à nouveau pour l'expiration du mélange combustible etle cycle complet du fonctionnement recommence de la manière qui vient d'être décrite. Si on examine la fig. 5, qui représente la fin du tenps d'échappement de la chambre a, on voitt que la chambre occupela même position que celle qu'occupait la chambre a à la
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fig. 3 Ceci s'applique également à la chambre Il de la fig. 9 et à la chambre c de la fig, 11.
Comme ces chambres accomplissent chacune le même oyole d'opérations que celui qui vient d'être décrit intégralement à propos de la chambre an il s'ensuit que dans le fonctionnement du moteur à quatre temps représenté, il se produit un temps moteur pour chaque mouvement de rotation, ce qui confère au moteur un régime de marche d'une uniformité remarquable que l'on ne pourraitobtenir, avec les moteurs du type connu avec pistons montés sur un vilebrequin, que s'il y avait huit cylindres, Lorsqu'on utilise le principe du moteur à deux temps, qui peut également s'employer pour moteurs rotatifs à pistons conformes à la présente invention, il est possible, en utilisant deux paires de pistons, d'obtenir un temps moteur pour chaque huitième de tour.
Le degré d'uniformité ainsi obtenu est sensiblement le morne que oelui d'une turbine, le rendement thermique d'un moteur rotatif à piston conforme à la présente invention étant toutefois infini- ment supérieur à celui d'une turbine à gaz par exemple.
Il y a lieu de mentionner que les autres avantages des moteurs rotatifs à pistons conformes à la présente invention, sur les moteurs ordinaires, consistent en l'absence totale de vilebrequin quelconque et des effets pernicieux des lois d'inertie, en une construction d'un prix de revient bon marché, en un encombrementexceptionnellement réduit, etde poids réduit, Ces derniers avantages font du moteur
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rotatif à piston uh moteur particulièrement bien adapté à la navigation aérienne et aux véhicules à moteurs.
De même que pour un moteur à. pistons avec vilebrequin, le moteur rotatif à pistons de la présente invention peut parfaitement être utilisé, avec un système approprié de soupapes etd'engrenages, comme souffleur-ventilateur, compresseur ou/pompe, machine à vapeur, etc, puisque dans ces diverses applications il conserve intégralement les avantages qui viennent d'être mentionnée.
Le rapport d'étanchéité, ou en cas de pompe, le degré de remplissage, peut varier pour répondre aux nécessités d'application en choisissant convenablement les rapports de transmission entre les différentes roues elliptiques. On peut également
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employer d'autres organes que les roues dentées el- !"'F""-"""t1 ,-,-..,,=> liptiques pour réaliser un mouvement uniforme es pistons, sans pour cela sortir du cadre de cette in- vention.