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MACHINE A PISTONS ROTATIFS A BATTEMENTS CONTRÔLES (MPRBC)

Principes Cycle 4 temps Conversion du mouvement Système de calage variable des soupapes Système de réglage du taux de compression



La conversion du mouvement est sans doute un domaine aussi important que sa génération...

Si l'on regarde l'histoire des moteurs volumétriques (c'est à dire utilisant l'énergie de pression des gaz plutôt que leur énergie cinétique), bien rares sont les machines qui soignent cet aspect. Par exemple, le moteur à bielle/manivelle, possède une cinématique, qui en plus d'être très déséquilibrée, impose immédiatement une loi de conversion figée : même en faisant varier le rayon de la manivelle ou la longeur de la bielle, la cinématique du PMH est déplorable (beaucoup trop longue et stationnaire). On pourrait citer d'autres exemples, comme le Wankel où l'évolution du volume des chambres en fonction de l'angle de rotation du moteur n'est pas paramétrable à cause d'une géométrie épitrochoïdale qui impose tout dès lors que le rotor triangulaire est choisi.


la plupart des moteurs actuellement connus sont incapables d'imposer une évolution arbitraire du volume de chaque chambre
 en fonction de l'angle de rotation de l'axe continuellement rotatif de la machine.


Et pourtant, à l'heure où l'on cherche à piloter l'autoinflammation des gaz par la montée de température au cours de la compression, bien peu de concepts flexibles en la matière sont proposés. Tout au plus certains inventeurs québécois ont très justement fait remarqué l'intérérêt d'un PMH soudain et intense pour synchroniser l'autoinflammation des gaz avec le PMH, de façon à ce que, dans un premier temps, la combustion soit la plus complète et propre, et dans un second temps, la détente des gaz survienne le plus tôt possible pour pousser convenablement les pièces mobiles de leur machine...


Or il faudrait être capable de générer le volume que l'ON VEUT dans chaque CHAMBRE
 EN FONCTION de l'angle de rotation de l'arbre tournant de la machine.


Dans le cas des machines à pistons rotatifs, cela revient à en CONTRÔLER les BATTEMENTS... plus précisement :
- leur amplitude angulaire
- leurs angles minimal et maximal
- mais aussi et surtout de la loi d'évolution du battement au cours d'un cycle angle mini -> angle maxi -> angle mini




1. Mouvement à convertir


Les machines de type PRBC sont basées sur p paires de pistons contigus répartis linéairement si p = 1 et circulairement dès que p est supérieur ou égal à 2. L’ensemble des centres de rotation de chaque piston forme alors :

-         si p = 1, un segment

-         si supérieur ou égal à 2, un polygone régulier à 2p côtés


On définit alors, à l’aide d’un carter adéquat, 2p chambres de volume variable, qui pour passer alternativement de leur volume minimal à leur volume maximal, nécessitent le contact intermittent entre chaque piston et son (ses 2) plus proche(s) voisin(s). Ce qui implique :

amplitude angulaire du mouvement des pistons rotatifs = Pi / p radian ou 180 / p  degrés

 

2. Système proposé

Il est possible d'utiliser un système générique de conversion du mouvement rotatif alterné de chaque piston en un mouvement rotatif continu sur un arbre dont l’axe de rotation est au centre du segment, ou du polygone régulier, précédemment mentionnés, et ce, quel que soit p supérieur ou égal à 1, dont le principe est le suivant : 

A partir de galets excentrés par rapport à l’axe de rotation des pistons et solidaires de ces derniers, on récupère 2p mouvements de translation alternée le long des médiatrices associées aux centres de rotation de 2 pistons consécutifs. Ce mouvement est transmis à 2p glissières, équipées elles aussi d’un ou plusieurs galets, lesquels appuient sur une came centrale en rotation continue, constituant l’arbre de sortie du moteur, ou bien l’arbre d’entrée de la pompe (ou compresseur).

Système générique de conversion dans le cas d'une seule paire de pistons.

Chaque contact galet excentré/glissière est systématiquement bilatéral soit en faisant déplacer le galet excentré dans une rainure dont la largeur vaut le diamètre du galet (ce qui sera représenté ici), soit en montant un coulisseau glissant dans la rainure et en pivot sur le galet excentré.

2 options de cames sont possibles, et ne s’excluent pas mutuellement :

-         came extérieure lorsque le galet de glissière est placé en position radiale extérieure

-         came intérieure lorsque le galet de glissière est placé en position radiale intérieure

-         cette distinction devenant moins nette pour le cas particulier p=1 car 2 galets choisis symétriques sont en contact avec la même came.

 

3. Avantages du mécanisme

 Le mécanisme à came centrale rotative  présente de très nombreux atouts :

angle mini = Pi – angle maxi

4. Exemples de systèmes à came centrale rotative

Les figures ci-dessous montrent l'extrême adaptabilité du concept de came centrale rotative à tout type de machine PRBC



p = 2, came et galets extérieurs

p = 2came et galets intérieurs


p = 3, came et galets extérieurs

p = 3came et galets intérieurs


p = 4came et galets extérieurs

p = 4came et galets intérieurs


p = 5, came et galets extérieurs

p = 5came et galets intérieurs.


5. Animations de mécanismes à came centrale rotative 2Pi / p cyclique


Mouvement piloté 45°/135° et 90° d'amplitude à battement symétrique

Mouvement piloté 0°/180° et 180° d'amplitude à battement symétrique

Mouvement piloté 0°/90°  et 90° d'amplitude à battement asymétrique

Mouvement piloté 0°/60° et 180° d'amplitude à battement symétrique

Mouvement piloté 0°/36° et 36° d'amplitude à battement asymétrique
Cinématique à came centrale rotative pour battement super asymétrique à 3lobes adaptés aux machines 3PRBC
Mouvement piloté : 0°/60° et 60° d'amplitude avec battement super asymétrique

6. Came centrale rotative surmultilobée (2Pi / kp cyclique)

Le nombre minimal de lobes de la came centrale rotative pour assurer le fonctionnement vaut le nombre p de paires de pistons

Toutefois, la came centrale rotative peut être surmultilobée, c'est à dire posséder k p lobes avec k un nombre entier et positif.

Pourquoi surmultilober la came centrale rotative ?

cela multiplie par k le nombre de cycles nécessaires à 1 tour de la came ...

donc
cela multiplie par k la compacité nominale du moteur !


1. La came en plus de convertir le mouvement, joue un rôle équivalent à celui d'engrenages réducteurs d'un facteur k

2. L'utilisation de galets montés sur roulements convertit la puissance avec un rendement proche de 100%

(contrairement aux trains successifs d'engrenages dont le rendement chute rapidement à moins de 90% par frottements/barbotages dans l'huile)

3. Toute ces fonctionnalités sont réalisées par une pièce de quelques dizaines de milimètres d'épaisseur
 (découpable au laser ou usinable... dans une simple plaque d'acier)


A condition de respecter des angles de transmission des efforts acceptables selon le fonctionnement en moteur ou pompe, et de donner des dimensions suffisantes à la came centrale rotative, k peut dépasser facilement 3 ou 4, en particulier pour les machines ayant peu de paires de pistons rotatifs.

Les quelques animations ci-après montrent l'extrême variété de mouvements possibles et arbitraires avec des cames surmultilobées pour tout type de PRBC.

Mouvement piloté 0°/180° et 180° d'amplitude à battement asymétrique par une came 1 x 6 lobes

Mouvement piloté 0°/180° et 180° d'amplitude à battement symétrique par une came 1 x 7 lobes

Mouvement piloté 0°/90° et 90° d'amplitude à battement symétrique par deux cames 2 x 2 lobes

Mouvement piloté 0°/60° et 60° d'amplitude à battement symétrique par deux cames 3 x 2 lobes

Mouvement piloté 0°/45° et 45° d'amplitude à battement asymétrique par une came 4 x 3 lobes


7. Système de conversion simplifié dans le cas des machines 2PRBC


On peut aussi développer des systèmes de conversion simplifiés, en particulier pour les machines 2PRBC, il est possible de convertir le mouvement avec une seule pièce rotative à 2 manetons en appui sur les glissières orthogonales, elles-même actionnées par une cinématique à base de losange déformable.


Mouvement piloté 0°/90° et 90° d'amplitude à battement symétrique linéaire par morceau




Vue partielle du mécanisme "double sinus" pour une machine 2PRBC



Vue partielle de face du mécanisme "double sinus" pour une machine 2PRBC
en gris foncé: glissières orthogonales,        
en jaune au 1er plan: arbre rotatif
en jaune au second plan : excentrique solidaire des pistons rotatifs
en blanc: bielle du losange déformable




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