L'invention concerne un moteur rotatif à air comprimé selon la revendication 1 et comportant essentiellement :

• un stator et un rotor concentriques ;
• une chambre délimitée, longitudinalement, par les parois en regard dudit stator et dudit rotor et, latéralement, par deux flasques en regard;
• au moins une canalisation d'arrivée d'air sous pression dans au moins une chambre de décompression appartenant audit volume et au moins une canalisation d'évacuation de l'air résiduel en fin de cycle de décompression ;

Les documents de l'état de la technique décrivant des moteurs à air comprimé sont nombreux, notamment ceux utilisant des pistons et des cylindres de type vérins ou mettant en oeuvre des chambres de décompression plus ou moins sophistiquées.

Leur réalisation n'est pas toujours aisée et leur rendement est le plus souvent faible pour envisager une exploitation rentable. BE 390 678 est l'un de ces documents.

L'invention vise à réaliser un moteur rotatif selon la revendication 1 et de conception simple, nouvelle et originale, permettant d'atteindre des rendements élevés.

Elle concerne à cet effet un moteur qui se caractérise essentiellement en ce que chaque canalisation d'arrivée d'air est associée à un moyen adapté pour insuffler, dans la chambre de décompression correspondante, après le passage du piston sur la canalisation d'arrivée, une quantité d'air de pression et de volume bien déterminés.

Selon les caractéristiques basiques de l'invention, le moteur comporte, accouplées entre elles :

1. a) au moins une chambre moteur, à profil rectangulaire, qui reçoit, par impulsion et par tour, une quantité d'air de pression et de volume bien déterminés ;
2. b) au moins une chambre de compression à profil (F) triangulaire qui sert à déplacer la paroi escamotable (8).

Les caractéristiques et les avantages de l'invention vont apparaître plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'au moins un mode de réalisation préféré de celle-ci donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés.

Sur ces dessins:

• la figure 1 est une vue en coupe transversale AA moteur rotatif ne faisant pas partie de l'invention;
• la figure 2 est une vue en coupe diamétrale BB dudit moteur ne faisant pas partie de l'invention;
• la figure 3 est une vue en coupe transversale AA du moteur rotatif comprenant deux chambres de décompression ne faisant pas partie de l'invention;
• la figure 4 est une vue de principe d'une chambre à piston triangulaire ;
• la figure 5 est une abaque donnant la pression reçue par le piston pour une injection de volume 100 fois inférieur à celui de la chambre et selon la position du piston dans sa course ;
• la figure 6 est une vue de principe d'un compresseur à chambre de compression triangulaire associé à un moteur à chambre de décompression rectangulaire ;
• la figure 7 est une abaque donnant, dans le cas d'une chambre de compression triangulaire, les variations des hauteurs successives d'un piston en fonction de sa position le long de sa course.

Le moteur rotatif a air comprimé représenté aux figures comporte :

• un stator (1) et un rotor (2) concentriques ;
• une chambre de volume (V) délimitée, longitudinalement, par les parois en regard dudit stator et dudit rotor et, latéralement, par deux flasques (3) et (4) en regard ;
• au moins une canalisation (5) d'arrivée d'air sous pression (P) dans au moins une chambre de décompression (Va) appartenant audit volume (V) et au moins une canalisation d'évacuation (6) de l'air résiduel (R) en fin de cycle de décompression. Chaque chambre de décompression (Va) est délimitée, longitudinalement, à une extrémité, par une paroi (7), faisant office de piston, solidaire du rotor (2) et s'étendant jusqu'au stator (1) et, à l'autre extrémité, par une paroi (8), escamotable, disposée en amont de la canalisation d'arrivée d'air (5) correspondante, solidaire en translation du stator (1) et s'étendant jusqu'au rotor (2), associée à un moyen adapté pour la rendre escamotable lors du passage du piston (7).

Chaque canalisation d'arrivée d'air (5) est associée à un moyen adapté pour insuffler, dans la chambre de décompression (Va) correspondante, après le passage du piston (7) sur ladite canalisation d'arrivée, une quantité d'air sous pression (P) bien définie à chaque tour de rotor.

Le moyen adapté pour déplacer la paroi escamotable (8) lors du passage du piston (7), peut être choisi parmi des dispositifs mécaniques à cames, électromécaniques à relais et pneumatiques à vérins.

Il peut être également le piston (7) lui même qui possède une forme (fig.1) adaptée pour dégager ladite paroi lors de son passage.

Le moyen adapté pour insuffler dans la chambre de décompression (Va), après le passage du piston (7) sur la canalisation d'arrivée d'air (5), une quantité d'air sous pression (P) bien définie, est choisi parmi des dispositifs mécaniques, électromécaniques et pneumatiques à clapets ou à vannes.

Il peut être également un clapet escamotable (9) d'obturation de l'extrémité de ladite canalisation (5), qui possède une forme adaptée pour dégager ladite extrémité sous l'effet du passage dudit piston.

La paroi escamotable (8) est associée à un moyen, notamment un ressort, adapté pour la ramener dans sa position initiale après le passage du piston (7).

Le clapet escamotable (9) est associée à un moyen, notamment un ressort, adapté pour le ramener dans sa position initiale après le passage du piston (7).

Le piston (7) peut être réalisé au moyen d'une lame élastique prenant appui sur la paroi intérieure cylindrique du stator (1).

Plusieurs chambres de décompression (Va), associées, chacune, à une canalisation d'arrivée d'air sous pression (5), à une canalisation d'évacuation d'air résiduel (6), à un piston (7) et à une paroi escamotable (8), sont disposées uniformément réparties (fig.3) autour de la chambre (V) afin d'additionner leurs effets.

Plusieurs ensembles, comprenant, chacun, un stator (1), un rotor (2), des flasques (3) et (4), au moins un piston (7) et au moins une paroi escamotable (8) associés à des canalisation d'entrée (5) et d'évacuation (6), sont juxtaposés sur le même arbre (10) afin d'additionner leurs effets.

Le fonctionnement du moteur rotatif est exposé ci-après.

La rotation du piston (7) solidaire du rotor (2) rencontre en premier la paroi (8) solidaire en translation du stator (1) qui s'escamote lors du passage dudit piston pour se refermer dès que celui-ci a franchi ledit obstacle.

La chambre de décompression (Va) se remplit d'air sous pression dès que ledit piston a franchi la canalisation d'entrée (5). Le volume de ladite chambre représente alors une faible partie du volume (V) de la chambre circulaire globale. La détente de ce volume exerce sur le piston une pression décroissante (PV = constante) au fur et à mesure que celui-ci se déplace. Cette pression est donc une fonction directe de la pression initiale d'alimentation et exerce un couple proportionnel à celle-ci.

Un simple pointeau est donc suffisant pour commander le système en question (suppression de la boîte à vitesses).

En fin de détente, lorsque le piston (7) a franchi la canalisation d'évacuation (6), l'air résiduel (R) est soit évacué dans l'atmosphère soit recyclé.

Une turbine dédiée à la compression de l'air atmosphérique à température ambiante délivre plus que 1 Ncm³ comprimé à 5 bars à partir d'une consommation d'énergie motrice de 1 joule. Une seconde turbine accolée de dimension différente est calée sur le même arbre (par exemple) entraîne la première.

Elle utilise de l'air à pression de 5 bars. Cette pression pouvant être augmentée par élévation de température de l'échange thermique avec des calories produites par la compression. La production d'énergie étant supérieure à 1 joule par Ncm³ consommés.

La vérification du calcul pour une chambre de compression est exposée ci-après. En projetant celle-ci, nous obtenons un piston triangulaire qui chasse l'air d'un vérin tel que représenté à la figure 4 où (E) est l'entrée du fluide, (S) la sortie de celui-ci, (H) la hauteur de la chambre et (C) la course du piston.

Nous retenons arbitrairement les dimensions que nous retrouverons dans le descriptif de la turbine et qui sont 25,4 cm pour le diamètre extérieur de la chambre et 5 cm pour la hauteur et 10 cm pour la largeur de celle-ci.

Nous retenons également 44,76 kg pour le couple moteur ; 0,204 m x 44,7 kg x 9,81 = 89 mN pour le moment du couple ; 2πx M = 559 joules pour le travail absorbé par tour et 60 t/mn pour la vitesse.

Ainsi, le piston représenté en linéaire reçoit une force de 44,76 kg (arbitraire), sa course (C) est de 16 cm et il consomme un travail de 44,76 kg x 0,16 m x 9,81 = 70 joules pour déplacer le volume de la chambre qui est de 16 x 5 x 10 / 2 = 400 cm³.

Nous verrons dans la turbine décrite que le couple a été déterminé par les contre pressions s'exerçant à chaque avancée du piston sur une surface de plus en plus réduite et calculée pour que la turbine compresseur débite dans une capacité où la pression (contrôlée par une soupape) n'excède pas 5 bars.

Tant que la pression dans la capacité n'atteint pas la pression de tarage, la puissance absorbée est plus faible. Nous n'en tiendrons pas compte.

Nous constatons que le piston virtuel ainsi schématisé produit 400 Ncm³ qui correspondent à 80 cm3 comprimés à 5 bars.

Nous voyons qu'avec un joule absorbé, le vérin virtuel dans cette configuration, délivre 400cm³/ 70 joules = 5,7 cm³.

Nous retrouverons dans le calcul de la turbine de compression le travail absorbé pour une rotation qui s'écrit ainsi : 2πx Moment 89 mN = 559 joules.

Comme pendant cette rotation, il y aura deux chambres de compression débitant à chaque quart de tour, le débit sera de : 400 Ncm³ x 2 x 4 = 3200 Ncm³.
Soit : 1 joule = 3200 / 559 = 5,7 Ncm³
Vérification du calcul pour une chambre motrice

Ici encore, pour faciliter la démonstration, imaginons la chambre moteur de la turbine en vérin virtuel.

Reprenons les mêmes dimensions que celles décrites dans la turbine, c'est-à-dire : Volume = 800 cm³ (puisque le piston n'est pas profilé), surface piston = 50 cm² (5cm H x 10 cm L) et course = 16 cm (virtuelle).

L'abaque de la figure 5 représente la pression (P) reçue par le piston pour une injection de 1/100^ème de volume de la chambre par cycle donc la force correspondante en fonction des position (C) du piston dans sa course :

• en position 0 : 5 bars x 8 cm³ = 40 cte    = 5 bars x 50 cm²    = 250 kg
• en position 1 : 40 / (8 + 1/8 x 100)    = 0,37 bars x 50 cm²    = 16,5 kg
• en position 2 : 40 / (8 + 2/8 x 100)    = 0,19 bars x 50 cm²    = 9,5 kg
• en position 3 : 40 / (8 + 3/8 x 100)    = 0,13 bar x 50 cm²    = 6,5 kg
• en position 4 : 40 / (8+4/8x100)    = 0,09 bar x 50 cm²    = 4,5 kg
• en position 5 : 40 / (8 + 5/8 x 100)    = 0,08 bar x 50 cm²    = 4,0 kg
• en position 6 : 40 / (8 + 6/8 x 100)    = 0,065 bar x 50 cm²    = 3,25 kg
• en position 7 : 40 / (8 + 7/8 x 100)    = 0,056 bar x 50 cm²    = 2,8 kg
• en position 8 : 40 / (8 + 8/8 x 100)    = 0,05 bar x 50 cm²    = 2,5 kg La pression totale exercée sur le piston est la moyenne de la somme des pressions soit : 6 / 9 = 0,67 bar

De même, la moyenne des couples est : 301,55 / 9 = 33,5 kg

Notons que chaque chambre de la turbine reçoit par impulsion une pression moyenne de 0,67 bar. Mais la pression décroît entre le choc du départ où elle est à son maximum de 5 bars ce qui donne un choc de 5 bar x 50 cm² = 250 kg et la pression en fin de course de 0,05 bars ce qui donne en résiduel : 0,05 x 50 cm² = 2,5 kg (de couple pour compenser les frottements).

Cela induit en pratique :

• de caler différentes chambres de façon que la rotation soit continue (montage en étoile) ;
• de réduire ou d'augmenter le pourcentage du volume injecté de façon à obtenir une force résiduelle plus ou moins importante, par exemple avec un pourcentage injecté de 1/50^e nous aurons en résiduel : 5 bars x 16 cm³ = 80 de cte / (16 + 800) = 0,10 bar.

Bien entendu le double, ce qui double aussi le couple : 0,1 b x 50 cm² = 5 kg.

La pression finale est multipliée proportionnellement au pourcentage de la chambre retenue.

Mais la production d'énergie n'est pas proportionnelle à la consommation.

Avec 1/100^e nous obtenons un couple (compte tenu de la configuration du moteur) de : 0,67 bar x 50 cm² = 33,5 kg.

Alors que pour 1/50^e la pression moyenne devient :

• (5 + 0,74 + 0,37 + 0,26 +0,18 + 0,16 + 0,13 + 0,112 + 0,1) / 9 = 0,784 bar et donc que le couple moyen devient : 0,784 bar x 50 cm² = 39,2 kg.

La consommation qui pour 1/100^e du volume consommé est de :

• (800 cm³ x 5 bar) / 100 = 40 Ncm³

Ceci pour nous permettre de noter que suivant ce que la turbine reçoit par injection, le rapport travail / consommation varie suivant la formule :

• W = Force en kg x déplacement en mètre x 9,81 pour obtenir des joules

• pour 1/100^ème = 33,5kg x 0,16 x 9,81 = 52,5 joules / 40 Ncm³ = 1,3 joule/Ncm³
• pour 1/50^eme = 39,2 kg x 0,16 x 9,81 = 61,5 joules / 80 Ncm³ = 0,769 joule/Ncm³

La chambre moteur (Cm) reçoit par impulsion et par tour, un pourcentage de son volume à une pression choisie. Elle a un profil rectangulaire. Sa capacité exacte se calcule puisque c'est un profil d'anneau en soustrayant de la surface totale du plus grand cercle, la surface du petit cercle intérieur.

Nous prendrons le cas d'une chambre de 25,4 cm de diamètre extérieur ; pour 5 cm de différence de rayon (hauteur de chambre) :

• 12,7 x 12,7 x 3,14 = 506,62 cm²
• 7,7 x 7,7 x 3,14 = 286,24 cm² / 320,38 cm²

En retenant une profondeur de chambre de 10 cm, le volume s'écrit :

• 320,37 x 10 = 3203,8 cm³.

La surface du piston étant de 5 x 10 = 50 cm², en exerçant sur celui-ci une pression de 0,67 bars (figure 6) qui représente la pression moyenne du centième du volume de la chambre alimenté à 5 bars, nous obtenons une force de 0,67 x 50 = 33,5 kg.

Le déplacement du piston sur le diamètre moyen multiplié par cette force représente le travail W = F x D qui s'écrit ainsi pour une turbine : W = 2π x D x couple x 9,81 = 6,28 x 0,204 m x (0,67 bars x 50 cm²) x 9,81 = 421 joules.

La dépense de Ncm³ d'air utilisé à cette pression de 5 bars se calcule en convertissant les cm³ comprimés en normaux cm³, et pour cet exemple, en centième du volume. Chaque chambre débite huit fois par tour, à savoir :

• 3203,8 cm³ x 5 bars x 8 fois par tour / 4 chambres x 100 = 320,38 Ncm³/tour Ce qui peut se traduire et qui restera constant pour tout type de moteur : 1 Ncm³ engendre un travail de 421/ 320 = 1,3 joule en condition isotherme.

Ce coefficient étant calculé sous conditions isotherme. En considérant le réchauffement du moteur, disons à une température de 909° absolu alors que l'air insufflé resterait à la température ambiante, disons 303° absolu, la pression moyenne pour une échange parfait s'établirait à trois fois plus (utilisation d'un miroir solaire par exemple).

La partie moteur pourrait aussi être accouplée à la partie compresseur pour récupérer les calories.

Nous avons établi par expériences successives que, contrairement au moteur, le rapport entre les joules consommés et la production varie quelque peu en fonction de la technologie utilisée et du profil des chambres de compression (Cc).

Nous développerons ici les calculs pour un compresseur défini, de façon à expliciter le fonctionnement. Pour faciliter la compréhension, nous retenons un compresseur identique au moteur de l'exemple ci-dessus,

Sachant que le profil des chambres de compression pourra, en fonction des résultats recherchés, être réalisé de façon à « lisser » la courbe de variation du couple absorbé, nous retenons pour simplifier notre démonstration un profil (F), tel celui de la figure 6. Le volume de la chambre de compression sera moitié de celle du moteur (3203,8 cm³ / 2 = 1601,9 cm³).

Puisqu'il y a 4 chambres dans le système exposé réversible pris pour cet exemple, une chambre de compression a un volume de : 3203,8 / 4 = 800,95 / 2 = 400,475 cm³ (profil triangulaire).

La partie compresseur ne doit être constituée que par des chambres de compression à profil triangulaire.

Pour apprécier visuellement l'énergie absorbée par le compresseur pour porter l'air aspiré de la pression atmosphérique à 5 bars, nous considérons le profil d'une chambre, tel que représenté à la figure 7, de longueur 400,475 cm³ x 2 / 5 cm de haut = 160,19 cm.

A partir des mesures relevées sur l'abaque jointe, on peut écrire que, quand le piston passe de la position 0 à 1, le volume de la chambre devient :

• Longueur = 12,816 cm x Hauteur = 4,1 x Profondeur 10 / 2 = 262,728 cm³ ceci en condition isotherme PV = cte (nous verrons plus loin l'influence des températures) la pression relative devient :
• 1atm. x 400,475 cm³ / 262,725 = 1,524 absolue soit 0,524 de pression relative. Cette pression s'exerçant sur une surface réduite du piston à chaque avancée :
• H 4,1 cm x L 10 cm = 41 cm² la force absorbée est de : 0,524 x 41 cm = 21,484 kg Retenons pour faire ensuite l'intégration, qu'il faut 21,484 kg pour passer de 0 à 0,524 bars de pression relative.

En position 2, il faut : (1 x 400,475 x 2) / (9,612 cm x 3,1 x 10) - 1 = 1,688 bars d'où une force de : 1,688 x 3,1 x 10 = 52,328 kg.

En position 3, il faut : (400,475 x 2) / (6,4 x 2 x 10) - 1 = 5,257 bars d'où une force de : 5 bars x 2 x 10 = 100 kg.

Notons ici que nous avons choisi de ne refouler qu'à 5 bars (pression que nous retenons donc pour calculer le couple au lieu de 5,257 bars).

En position 4, donc pour 5 bars : 5 bars x 1 x 10 = 50 kg.

Avec ce profil, le couple moyen s'établit donc à 44,76 kg pour 5 bars de pression de refoulement, l'énergie consommée est de : 6,28 x 0,204 x 44,76 x 9,81 = 562 joules pour obtenir le débit de la chambre à 5 bars : 400,475 Ncm3 x 8 fois par tour = 3203,8 Ncm³.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés pour lesquels on pourra prévoir d'autres variantes tout en restant dans l'étendue des revendications, en particulier dans :

• les types de stators, de rotors et de flasques et la nature des matériaux constitutifs ;
• les types et les formes des pistons et des cloisons escamotables ;
• les types de moyens adaptés pour déplacer la paroi escamotable et pour insuffler de l'air dans la canalisation d'entrée ;
• le nombre de chambres de décompression et des circuits associés ;