Brevet FR2257014A1 — publié le 19750801

La présente invention concerne les installations motrices qui utilisent la puissance d'un moteur à combustion interne et qui sont qualifiées d'automatiques, parce qu'elles impriment à la machine préceptrice qui leur est accouplée une vitesse conforme à la loi horaire choisie, sans le besoin d'une quelconque intervention extérieure. Actuellement, les installations motrices de ce genre qui sont effectivement employés sont toutes obtenues par adjonction d'une transmission automatique à un classique moteur à combustion interne. Toutes pnt le défaut d'être compliquées et chères. Certaines sont lourdes et d'un rendement peu satisfaisant. L'installation motrice suivant l'invention permet d'éviter ces incon\,énients : elle est entièrement automatique, simple, rela vivement légère, et son rendement est élevé. En outre, elle présente l'avantage inattendu de pouvoir fonctionner, à tout moment, indifféremment suivant le cycle Diesel ou suivant le cycle Beau de Rochas ce qui lui confère une très grande souplesse dans son utilisation. Enfin, I'excellence de la combustion en- fait une machine très peu polluante. L'installation motrice, objet de l'invention, comporte un moteur hydraulique à cylindrée constante relié à une génératrice hydraulique par l'intermédiaire de deux accumulateurs hydropneumatiques (de petit volume du cté des hautespressions, de grand volume du côté des basses pressions).La génératrice hydraulique comprend deux groupes identiques de n pistons dont les sections sont en progression géométrique de raison deux, ce qui permet d'obtenir, en utilisant les règles du système de numération binaire et en mettant éventuellement hors service certains de ces pistons, 2 cylindrées possibles (disposées en progression arithmétique pour une longueur de course~donnée). La commande des pistons de la génératrice hydraulique est assurée par deux pistons identiques de grandeXsection reliés, par des systèmes de bielles et de culbuteurs, aux pistons, libres et opposés dans un meme cylindre, d'un moteur à combustion interne à deux temps.Ces deux pistons de grande section assurent également, par l'une de leurs faces, le balayage du moteur à combustion interne, et, par l'autre face, la compression de deux ma-sses d'air appelées matelas. La compression de l'air comburant dans le moteur à pistons libres résulte de l'action du liquide contenu dans l'accumulateur à basse pression sur les pistons de la génératrice hydraulique. Pour chaque cycle, le taux de compression peut être fixé à une valeur quelconque, en choisissant convenablement la masse des matelas. Le très difficile problème de la stabilité de marche du moteur à pistons libres est résolu d'une manière simple, élégante et radicale, à l'aide d'une petite calculatrice électronique qui détermine, au début de chaque cycle et en fonction de multiples paramètres, la masse des matelas et la cylindrée de la génératrice hydraulique. Les dessins annexés illustrent, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'une installation motrice conforme à la présente invention. Sur le collecteur 25 (fig. 1), relié à l'accumulateur à haute pression 41 (fig. 2), sont vissés les cylindres 19, où glissent les pistons 18 de la génératrice hydraulique. La valeur de n est égale à 5 eut les sections des pistons 18 sont donc : s, 2s, 4s, 9s, 16s. Le cylindre 19 de section 16s occupe le centre ; pour une raison évidente de bon équilibre, les autres cylindres ont été dédoublés en paires, disposées symétriquement par rapport à l'axe du collecteur (fig. 3). Les pistons de grande section 16 coulissent dans les cylindres 32, qui sont bloqués contre les cylindres 19 par les boulons 60 qui traversent toute la machine.Les chambres d'alimentation 23, limitées longitudinalement par 25 et 32 et radialement par les parois élastiques 21 qui peuvent se déplacer entre les grilles 22 et les parois 20, communiquent librement avec l'accumulateur à basse pression 40. Les espaces 24 compris entre 20 et 21 sont alimentés librement par le gaz contenu dans l'accumulateur 40. Le cylindre moteur 1 , fixé sur 32, est muni d'un dispositif d'in action Diesel 4 ; il contient les pistons opposés 2 qui sont reliés à 16 par deux systèmes de bielles et de culbuteurs. Les culbuteurs sont constitués de deux plaques d'acier 9 boulonnées contre les cylindres 7 qui servent de chemin de roulement intérieur aux ai guilles des roulements contenus dans les têtes de bielles et les paliers 9 fixés sur 32. La synchronisation des mouvements des deux équipages mobiles est assurée par les crémailleres 29 et le pignon 30. Les matelas 12 peuvent communiquer avec l'atmosphère par les lumières 33 et les orifices 34 que peuvent obturer les soupapes 13. L'air de balayage est aspiré à travers les clapets 17 et refoulé vers les lumières d'admission 3 par des tuyauteries non dessinées. Les cylindres 10 qui contiennent les pistons 11 sont utilisés pour le démarrage. Les clapets de retenue 26 autorisent le passage du liquide uniquement dans le sens de 19 vers 25. Les clapets de retenue 27 sont montés dans des cages 28 (représentées seulement pour le cylindre central) qui peuvent occuper deux positions : dans la position de la figure 3, les clapets 27 autorisent le passage du liquide dans le sens de 23 vers 19 mais non dans l'autre sens dans l'autre position, obtenue par rotation des cages 28, le libre -passage- du liquide est assuré entre 19 et 23, aussi bien dans le sens de 19 vers 23 que dans l'autre sens. Définitions - Avant de décrire le fonctionnement-de I'instal lation, nous préciserons le sens des expressions suivantes - Point-mort intérieur (resp. extérieur) : position des pistons 2 au moment où leur distance passe par un minimum (esp. maximum) - Cycle : intervalle de temps compris entre deux PME (points morts extérieurs) consécu~tifs ; - - Cycle à vide : cycle au cours duquel aucune quantité de liquide n'est introduite-dans le.collecteur 25 Cycle à pleine charge : cycle au cours duquel le maximum de carburant possible est introduit dans le cylindre moteur 1. (Des cycles à charge partielle sont possibles mais inutiles ; le PME théorique est indiqué par la flèche 35 : les PME réels peuvent s'en écarter d'une distance égale à i 25 % de la course théorique des pistons 2 ; les petits matelas de sécurité 31 protègent la machine contre les effets destructeurs d'une course trop longue). Fqnctionnement de la génératrice hydraulique - Au début d'un cycle, les pistons 18 sont soumis à la seule action du liquide sous pression contenu dans 73. rouis cette action, les pistons 18 repoussent vers l'extérieur les pistons 16, provoquant ainsi le rapprochement des pistons 2 jusqu'à un PMf bien déterminé par la valeur de la masse des ravalas 12. La forte pression crée dans le cylindre 1 par la combustion et la pression.régnant dans les matelas 12 provoquent une vive accélération des pistons 2 vers l'extérieur : le liquide contenu dans les cylindres 1 9 est alors contraint de pénétrer dans le collecteur 25 ou de retourner dans les chambres d'alimentation 23 suivant la position des cages 28. Détermination de la masse des matelas - Chacune des soupapes 13 est soumise aux actions contraires d'un électro-aimant 14 et d'un ressort 15. Pendant une course PMI-PME le circuit électrique de l'électro-aimant est fermé et l'action du ressort est annulée au PME les lumières 33 et les orifices 34 sont ouverts. Dès le début de la course PME-PMI suivante les ressorts 15 sont tendus vers l'extérieur de la génératrice, mais la force qu'ils exercent sur les soupapes 13 est inférieure à la force des électro-aimants 14, de telle sorte que les soupapes 13 demeurent ouvertes tant que le circuit des électro-aimants reste fermé.La fermeture des soupapes 13 commence au moment précis où-ce circuit est ouvert : comme cet ins tant peut être librement choisi, on en déduit la possibilité de fixer, avec une très grande précision, le taux de compression du moteur à combustion interne à une valeur quelconque. Paramètres utilisés par la calculatrice électronique - Au début de chaque cycle-, divers capteurs fournissent à la calculatrice électronique la valeur de chacun des paramètres suivants - T -: température de l'air ambiant - T' : température du cylindre moteur - T" : température du liquide contenu dans la génératrice ; - P : pression atmosphérique ambiante - P' : pression dans l'accumulateur de grand volume 40 - P" : pression dans l'accumulateur de petit volume 41 - x : abscisse des pistons 2 au début du cycle considéré - e : différence entre l'abscisse des pistons 2 à la fin du der .nier cycle à vide exécuté et l'abscisse du PME théorique - e' : différence entre l'abscisse des pistons 2 à la fin du dernier cycle à pleine charge exécuté et l'abscisse du PME prévue pour ce cycle. Cycle à vide - Au début d'un tel cycle, la calculatrice électronique détermine en fonction des paramètres précédents a) La position du PMI pour le cycle considéré de façon que la combustion s'effectue dans les meilleures conditions possibles b) Le point d'ouverture du circuit électrique des électro-aimants 4 correspondant au PMI déterminé au a) c) La quantité de carburant à injecter dans le cylindre moteur pour que les équipages mobiles soient renvoyés au PME théorique. Pendant la course PME-PMI d'un cycle à vide, les cages 25 sont amenées -si elles ne sty trouvent déjà - dans la position qui assure le libre passage du liquide entre 19 et 23 (emploi possible d'une commande hydraulique non représentée). Cycle à pleine charge - Pour un tel cycle la quantité de carburant à injecter correspond au maximum permis par une combustion complète : ne dépendant que des paramètres T, T' et P, elle est sensiblement constante. Au début d'un cycle à pleine charge, la calculatrice électronique détermine en fonction des paramètres énumérés ci-dessus a) La position du PMI pour le cycle considéré de façon que la combustion se fasse sans fumées (meme après une marche à vide prolongée) et avec un rendement maximum ; b) Le point d'ouverture du circuit électrique des électro-aimants 14 correspondant au PMI déterminé au a) ; c) Les cylindres 19 de la génératrice hydraulique dont le contenu doit retourner aux chambres d'alimentation 23 pour que les équipages mobiles soient renvoyés le plus près possible du PME théorique (les cages 28 sont amenées dans la position voulue pendant la course PME PMI). Emploi du cycle Beau de Rochas - L'installation est munie de deux réservoirs : l'fun contient du carburant Diesel, l'autre du carburant Beau de Rochas (essence ou gaz). Le cylindre 1 est muni d'un double dispositif d'\njection : le dispositif 4 pour le combustible Diesel, le dispositif 5 pour le combustible Beau de Rochas ; il est pourvu également d'une bougie d'allumage 6. Les cycles à pleine charge sont des cycles Beau de Rochas ; les cycles à vide continuent à être des cycles Diesel. Le très haut rendement ainsi obtenu compense largement la complication que constitue le double dispositif d'alimentation. Automaticité de l'installation motrice - La génératrice hydraulique est reliée au moteur hydraulique à cylindrée constante 44 conformément au schéma de la figure 2. La génératrice hydraulique exécute un cycle à pleine charge si l'une des vannes 42 ou 47 est ouverte ET si la vitesse du moteur 44 est inférieure à la vitesse choisie V ; dans le cas contraire, c'est-à-dire si les deux vannes 42 et 47 sont fermées OU si la vitesse du moteur 44 est supérieure ou égale à la vitesse choisie V, elle exécute un cycle à vide. L'automaticité de l'installation en résulte : en effet, les vannes 42, 54, 52 étant ouverts et les autres fermées, si la vitesse du moteur 44 est inférieure à la vitesse choisie V, il y aintroduction de liquide dans l'accumulateur 41 dont la pression augmente : le. couple du moteur 44 augmente'et sa vitesse croît et tend à prendre la valeur V ; si la vitesse du moteur 44 est supérieure à V, du liquide sort de l'accumulateur 41 dont la pression diminue : le couple du moteur 44 diminue et, en général, sa vitesse décroît et tend à'prendre la valeur V. Si la vitesse du moteur 44 reste supérieure à V, on freine le moteur 44 en fermant plus ou moins la van ne 54 (la soupape de décharge 55 empêche tout blocage et le liquide est refroidi en 46). Pour changer le sens de rotation du moteur 44 il suffit de bloquer 55, de fermer 42 et 54 et d'ouvrir 47 et 45. Les clapets de retenu.e 43 et 53 empêchent le moteur 44 de tourner dans le sens contraire à celui qui a été choisi. L'installation motrice peut fournir- sa puissance maximum sur une gamme très étendue de vitesses V allant du simple au quintuple. Arrêt de l'installation motrice - Couper l'injection de car burant ; ouvrir les vannes 48 et 50, et fermer la vanne 52 ; main tenir tous les clapets 27 ouverts et actionner la pompe 51 : la 'pression dans 25 et 23 finit par tomber à zéro et les pistons 16 sont repoussés par les pistons 11 contre le fond du cylindre 32. Fermer alors la vanne 50. Démarrage de la génératrice hydraulique - Fermer la vanne 48 ouvrir la vanne 52, puis rapidement la vanne de décharge 49 : la génératrice démarre ; refermer alors 49. L'installation motrice, objet de l'invention, peut être utilisée dans tous les cas où la puissance demandée est suffisamment importante et où l'automaticité est souhaitable : c'est le cas, notamment, des automobiles, des camions, des locomotives, des engins de travaux publics, des petites centrales électriques. Plusieurs génératrices hydrauliques peuvent être montées en parallele pour alimenter le même moteur hydraulique. Le cylindre moteur d'une génératrice hydraulique peut être remplacé par un bicylindre.Une installation motrice comportant un moteur à combustion interne d'une cylindrée de 1 000 cm3 (volume minimum balayé par les pistons 2 quand la puissance développée est maximum), et utilisant le cycle Beau de Roches, nous paraît pouvoir développer une puissance de 100cl sur l'arbre du moteur 44, pour une séquence de 4 500 battements par minute.Une automobile qui en serait équipée serait entièrement automatique et ses comm-andes seraient réduites à a) un dispositif d'affichage de la vitesse choisie b) une pédale qui commanderait, dans un premier temps, la fermeture rapide de la vanne 42, dans un deuxième temps, la fermeture progressive de la vanne 54, et dans un troisième temps, la mise en oeuvre du système de freinage du véhicule ; ; c) un dispositif de marche arrière. (Les dimensions de l'accumulateur 40 ne sont pas prohibitives et des variations meme importantes de la terpérature ambiante ne sont pas gênantes.) Les.récents progrès réalisés dans le domaine des calculatrices électrqniques et l'absence de pièces difficiles à usiner permettent de- prévoir un prix de- revient très compétitif pour la présente ins tallttitn motrice, qui bénéficiera de tous les perfectionnements qui pourront être apportés aux moteurs hydrauliques àXcylindrée constante. REVENDICATIONS 1. Installation motrice, automatique, utilisant la puissance d'un moteur à -combustion interne à pistons libres, à transmission hydraulique comportant un moteur hydraulique à cylindrée constante, caractérisée par le fait que la transmission hydraulique comporte un accumulateur hydropneumatique sur le circuit haute pression et un autre de plus grand volume sur le circuit basse pression. 2. Installation suivant la revendication 1 caractérisée par le fait que les variations du couple moteur résultent des variations du volume du liquide contenu dans l'accumulateur de plus petit volume. 3. Installation suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la valeur de la cylindrée de la génératrice hydraulique peut être librement choisie, à chaque.cycle, parmi les termes d'une progression arithmétique. 4. Installation suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que la génératrice hydraulique comporte plusieurs cylindres, dont les sections sont en progression géométrique de raison deux, et qui peuvent être mis hors sevice. 5. Installation suivant la revèndication 3, caractérisée par le fait que le choix de la valeur de la cylindrée est effectué par une calculatrice électronique. 6. Installation suivant la revendication 1, caractérisée-par le fait que la compression de l'air comburant dans le moteur à pistons libres résulte de l'action du liquide contenu dans l'accumulateur de plus grand volume. 7. Installation suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que le taux de compres-sion du moteur à pistons libres peut être librement choisi à chaque cycle. 8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée par le fait que le choix du taux de compression résulte de la présence de matelas d'air de masse réglable. 9. Installation suivant la revendication B, caractérisée par le fait que le choix de la masse des matelas est effectúévpar une calculatrice électronique. 10. Installation suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que deux cycles consécutifs peuvent être, l'un un cycle Diesel, l'autre un cycle Beau de Rochas.