Brevet FR2345596A1 — publié le 19771021

La présente invention concerne un proced pour produire une énergie mécanique du type utilisant us fluide parcourant un cycle thermique comprenant une compression, une combustion et une détente, et une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. Pour produire de l'énergie mécanique à partir de la chaleur provenant d'une combustion, il est possible d'utiliser des installations de type connu, dans lesquelles un fluide parcourt un cycle thermique au cours duquel deys échanges de chaleur et d'énergie mécanique ont lieu entre le fluide et l'exté- rieur. On connaît les moteurs alternatifs 9 combustion interne dans lesquels le cycle parcouru est le suivant : le fluide est comprimé dans un cylindre par un piston. Dans ce même cylindre, immédiatement après la compression, de la chaleur est apportée au fluide par une combustion qui est dite interne car elle se produit à l'intérieur du cylindre, puis le fluide se détend en communiquant de l'énergie mécanique au piston. Ces trois faces principales de compression, combustion et détente ont lieu au cours d'un seul aller et retour du meme-piston. D'autres phases au cours desquelles les gaz brûlés provenant de la combustion sont remplacés par de l'air pur ont lieu soit au cours d'un autre aller et retour du piston, soit à la fin de la course de détente et au début de la course de compression.Le premier cas est celui des moteurs à 4 temps, tandis que le second cas est celui des moteurs à 2 temps. En général les moteurs à combustion interne comportent de nombreux cylindres dont les pistons sont couplés mécaniquement par l'intermédiaire d'un embiellage et d'un vilebrequin qui fournit à l'extérieur la puissance mécanique produite par le moteur. On connatt également les installations de turbines à gaz dans lesquelles le fluide traverse trois organes différents, qui sont un compresseur rotatif assurant la compression de l'air,- une chambre de combustion dans laquelle a lieu la combustion qui apporte de la chaleur à l'air comprimé et une turbine dans laquelle a lieu la détente des gaz brûlés, qui produit l'énergie mécanique. La turbine de détente entraîne mécaniquement le compresseur et l'énergie restante se trouve disponible sur l'arbre de la turbine pour être utilisée à 11extérieur. On connaît aussi les installations génératrices de puissance à piston libre dans lesquelles, comme dans le cas des moteurs alternatifs à combustion interne, la compression et la combustion interne ont lieu dans le meme cylindre pendant une seule course du piston, la combustion ayant lieu en fin de compression. Contrairement à ce qui se passe dans les moteurs alternatifs à combustion interne, l'énergie mécanique communiquée au piston par les gaz pendant la course de détente n'est pas transmise directement à l'extérieur. L'installation est agencée de manière à fournir des gaz comprimés qui se détendent dans une turbine dont l'arbre fournit à l'extérieur la puissance mécanique dont la production constitue le but de l'installation. Les installations à pistons libres génératrices de puissance mécanique comportent en général de nombreux cylindres dont les pistons travaillant dans des cylindres différents ne sont pas couplés mécaniquement, mais pneumatiquement, ce qui permet de recueillir toute l'énergie produite sur l'arbre unique d'une turbine. Les moteurs connus mentionnés ci-dessus présentent un certain nombre d'inconvénients, à savoir entre autres qu'ils présentent une relative complexité, notamment dans leur dispositif d'injection, ont un rendement fortement affecté par les pertes de chaleur, sont polluants et doivent être dimensionnés assez fortement pour supporter les phénomènes brutaux mis en jeu par la combustion-explosion et s'exerçant sur les pièces mécaniques telles que les pistons. Par ailleurs dans les turbines à gaz le rendement est mauvais et la turbine doit avoir une puissance assez importante, ce qui entraîne notamment des coûts élevés. La présente invention a pour but de réduire dans une très large mesure les inconvénients cités plus haut et ce conformément à un procédé de production d'énergie mécanique selon lequel la combustion n'est plus interne, mais semi-externe, c'està-dire qu'elle s'effectue en dehors de l'enceinte de compression cependant que les gaz brûlés sont envoyés en partie ou en totalité dans l'enceinte de compression.A cet effet une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisée par le fait qu'elle comporte une ou plusieurs premières enceintes à piston pour la compression du fluide comburant reliées à une seconde enceinte de volume invariable, prévue pour la réalisation de la combustion externe du fluide et qui est distincte et extérieure auxdites premières enceintes de compression, ladite enceinte de combustion étant reliée d'une part auxdites premières enceintes de compression et d'autre part à un dispositif de prélèvement de l'énergie mécanique. Selon des variantes appropriées de l'invention ledit dispositif de prélèvement de l'énergie mécanique est constitué par le ou les vilebrequins reliés au piston des enceintes de compression, ou bien est une turbine reliée à la sortie de l'enceinte de combustion, dont une partie des gaz brûlés est envoyée à la ou les enceintes de compression du fluide. L'installation selon l'invention entrane, par rapport aux machines classiques connues mentionnées précédemment, certains avantages indéniables. En effet le rendement est amélioré sensiblement par le fait que les pertes de puissance sont fortement réduites par rapport au cas des moteurs à combustion interne car d'une part l'installation a un fonctionnement plus uniforme et plus doux, sans les phénomènes brutaux de la combustion dans les cylindres d'un moteur 9 combustion interne, et d'autre part les pertes de chaleur sont réduites au minimum et le seul refroidissement sera celui nécessaire à l'enceinte de compression, dans laquelle la combustion ne se produit précisément pas, et en outre la puissance mise en jeu au niveau de l'enceinte de compression n'est que la puissance nécessaire à la compression et qui est inférieure à la puissance recueillie dans la détente'embieIlage et les pistons de la ou des enceintes de compression seront plus fiables et pourront être calculés avec une résistance réduite par rapport au cas des moteurs à combustion interne et notamment des moteurs diesel . Ces avantages entraînent également une réduction de coût par rapport aux machines actuellement connues. En outre l'installation selon l'invention sera moins polluante en raison d'une production minimale de CO et de composés azotés en raison d'une température moindre. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé deux formes de réalisation de l'installation selon l'invention. La figure 1 montre un schéma de l'installation conforme à l'invention. La figure 2 montre une variante de l'installation de la figure 1. Sur les figures les parties analogues ont été désignées par les memes chiffres de référence. Sur la figure 1 on a représenté une installation conforme à l'invention dans laquelle une enceinte de compression 1, dans laquelle circule un piston 2 relié à une manivelle 3 pivotant autour d'un axe 4, est reliée à sa partie supérieure 5 formant culasse une tubulure d'échappement 6 et à une tubulure de renvoi 7 dans lesquelles sont montées respectivement des soupapes 8 et 9. La tubulure d'échappement 6 et la tubulure de renvoi 7 sont reliées respectivement à un collecteur haute pression 10 et à un collecteur de renvoi 11 qui sont raccordés par leurs extrémites de droite sur la figure respectivement à l'entrée d'une chambre de combustion 12 et à la sortie de cette chambre de combustion.Etant donné que l'installation conforme à l'invention comporte de préférence un grand nombre d'enceintes telles que 1 raccordées aux collecteurs 10 et 11, comme décrit , on a représenté les extrémités de gauche des collecteurs 10 et 11 fermées par deux traits obliques interrompus pour indiquer la possibilité de raccordement d'autres telles enceintes 1. En outre la sortie de la chambre de combustion 12, qui est reliée au collecteur de renvoi 11, est également raccordée par une canalisation 13 à une turbine de détente 14, qui fournit sur son arbre non représenté la puissance mécanique dont la production constitue le but de l'installation. Dans cette forme de réalisation la constitution des enceintes 1, hormis la culasse 5, peut avoir une constitution analogue à celle d'un moteur à combustion interne, l'axe 4 constituant le vilebrequin. Mais une différence essentielle dans le cas présent réside dans le fait que l'espace mort se trouvant dans ladite enceinte de compression 1, entre la culasse 5 et le piston 2 dans sa position de fin de course de compression, est extrêmement réduit ou même quasiment nul. Les soupapes 8 et 9 peuvent être constituées, de façon connue en soi, par des simples clapets ou bien être des soupapes commandées. En outre dans cette forme de réalisation de l'invention les vilebrequins associés aux manivelles 3 des pistons 2 des enceintes 1 ne fournissent pas de puissance à l'extérieur, mais ont pour seul effet, grâce à un volant non représenté , d'absorber l'énergie produite pendant les courses de détente des pistons et de la leur restituer pendant les courses de compression, les mouvements de rotation desdits vilebrequins étant régularisés par le déphasage des différents pistons ce qui, ajouté à l'effet du volant, donne une régularité satisfaisante pour des ensembles à plus de quatre cylindres. On va maintenant expliciter ci-après le fonctionnement d'une installation. Le système étant en marche, l'air comprimé par le piston 2 entre lui-même et la culasse est expulsé vers le collecteur haute pression 6 en fin de course de compression, par la soupape d'échappement haute pression 8. A l'exception de l'air subsistant dans l'espace mort, qui est presque nul , tout l'air comprimé par le piston est rejeté dans le collecteur haute pression 10, et ce de façon identique pour toutes les enceintes de compression 1. Ces enceintes ne comportant aucun dispositif d'injection, elles ne sont donc le siège d'aucune combustion. Le collecteur haute pression 10, alimenté par différentes enceintes de compression 1 alimente la chambre de combustion 12, de préférence unique par installation et dans laquelle s'effectue une combustion qui apporte au cycle la chaleur nécessaire à son fonctionnement.Cette chambre de combustion peut etre d'un type classique et on ne reviendra pas sur sa description. A la sortie de la chambre de combustion 12 le flux des gaz brûlés se divise en une partie passant dans la canalisation 13 et alimentant la turbine de détente 14, tandis que l'autre partie des gaz brûlés alimente par le collecteur de renvoi 11 la soupape de renvoi 9, fournissant ainsi au piston 2 la puissance nécessaire à la rotation du vilebrequin et à la compression. On voit que, à la fin de la course de compression du piston 2, l'expulsion par la soupape 6 de l'air comprimé et son remplacement par des gaz brûlés sous pression arrivant par l'intermédiaire de la soupape 9 ont des effets analogues à ceux d'une combustion interne, à savoir transformation de l'air pur comprimé en gaz brûlés comprimés, mais avec cette différence importante que, dans le cas de la présente invention, les gaz brûlés arrivant par la soupape 9 sont, aux pertes de charge , à la meme pression que l'air pur expulsé par la soupape 8, alors que, dans le cas d'un moteur, les gaz produits par la combustion sont à une pression supérieure a celle de l'air pur en fin de compression. Le vilebrequin 4 de chaque enceinte 1, qui ne transmet pas de puissance à l'extérieur, tournera si le travail reçu par le piston pendant la détente est supérieur à celui qu'il transmet pendant la compression, ce qui sera le cas si le volume des gaz brûlés introduits dans le cylindre 1 en début de la course de détente est supérieur à celui de l'air expulsé en fin de compression. On voit que, dans ce cas, la course de détente doit autre supérieure à la course de compression, ce qui peut être facilement obtenu en retardant le début de la compression par le réglage du dispositif d'alimentation en air frais. On notera que, dans l'installation conforme à l'invention, si les courses de compression de détente dans le cylindre de compression 1 sont de même longueur , la pression à l'échappement est la même que la pression à l'admission moyennant une régulation de la soupape de renvoi 9. En augmentant la durée d'ouverture de cette dernière, on pourrait augmenter à volonté la pression en fin de détente. Comme cela a été indiqué la soupape 8 peut être un simple clapet de non retour s'ouvraztquand la pression dans le cylindre 1 est supérieure à celle du collecteur 10 et se fermant pour s'opposer au retour des gaz pendant la course de détente. Selon une possibilité d'utilisation de l'installation, il peut être préférable d'utiliser une soupape commandée, beaucoup plus fiable et qui s'ouvre en fonction de l'angle du vilebrequin lorsque la course de compression sera celle qui produit la pression nominale du collecteur 10. La soupape 9 peut être également une soupape commandée, dont l'instant de fermeture rapportée à la course du piston détermine le volume occupé par les gaz brûlés au moment où ils commencent à se détendre, ce qui détermine l'énergie communiquée au piston 2 pendant la course de détente. On peut prévoir également une régulation de cette soupape,par exemple d'une façon connue dans la technique. Dans cette forme de réalisation de la figure 1 il est également possible de prévoir un organe de régulation de pression constitué par exemple par un organe d'étranglement disposé dans la canalisation 13 reliant la chambre de combustion 12 à la turbine 14. En outre il est également possible de prévoir une ou plusieurs chambres de combustion supplémentaires disposées dans cette canalisation 13. Enfin dans le cas prévu où l'installation comporte plusieurs ensembles à enceinte piston tels que 1 et 2, si l'un de ces ensembles reste en marche, il est possible d'arrêter et de faire démarrer les autres simplement en agissant sur le sys tème de réglage de la soupape 9. Sur la figure 2, qui représente de façon très schématique une variante de réalisation de l'installation conforme à l'invention, seul est différent l'ensemble formé de lten- ceinte de compression 1 et du piston 2. En effet selon cette réalisation l'enceinte de compression 1 est constituée par un carter dont la forme intérieure est hypocycloidale , cependant que le piston est un piston rotatif dont la coupe transversale possède la forme d'un triangle équilatéral curviligne, la forme de ces pièces pouvant être analogue à celle des pièces identiques dans un moteur à piston rotatif de type connu. Suivant une variante de réalisation de la présente invention il est possible de supprimer complètement la canalisation 13 et la turbine 14 de prélèvement de l'énergie mE- cantique, l'ensemble des gaz brûlés en provenance de l'enceinte de combustion 12 étant renvoyé totalement dans le collecteur de renvoi 11 et, par la soupape de renvoi 9 > à l'enceinte de compression 1 , l'énergie mécanique pouvant être alors récupérée directement sur le vilebrequin 4 relié au piston 2. La présente invention a été décrite en référence à deux formes de réalisation données uniquement à titre d'exemple et l'on comprendra que toutes variantes de réalisation de l'installation selon l'invention entrent dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire une énergie mécanique du type utilisant un fluide parcourant un cycle thermique comprenant une compression, une combustion et une détente, caractérisé par le fait qu'après la compression du fluide réalisée dans une première enceinte, la combustion est une combustion semi-externe réalisée dans une seconde enceinte de volume invariable, distincte de la première enceinte de compression dudit fluide et que les gaz brûlés sortant de l'enceinte de combustion sont envoyés en partie ou en totalité lors de la détente, à partir de ladite enceinte de combustion dans l'enceinte de compression. 2. Installation productrice d'énergie mécanique, à combustion semi-externe, pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte une ou plusieurs premières enceintes à piston pour la compression du fluide comburant reliées à une seconde enceinte de volume invariable, prévue pour la réalisation de la combustion externe du fluide et qui est distincte et extérieure auxdites premières enceintes de compression, ladite enceinte de combustion étant reliée d'une part auxdites premières enceintes de comparez sion et d'autre part à un dispositif de prélèvement de l'énergie mécanique. 3. Installation productrice d'énergie mécanique,à combustion semi-externe,suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que lesdites premières enceintes sont constituées par des cylindres à piston. 4. Installation productrice d'énergie mécanique,à combustion semi-externe,suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée par le faitque lesdites premières enceintes sont des cylindres à piston rotatif. 5. Installation productrice d'énergie mécanique, à combustion semi-externe, suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée par le fait que ledit dispositif de prélèvement de l'énergie mécanique est une turbine reliée à la sortie de l'enceinte de combustion, dont une partie des gaz brûlés est envoyée à la ou les enceintes de compression du fluide. 6. Installation productrice d'énergie mécanique, à combustion semi-externe, suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée par le fait que ledit dispositif de prélèvement de l'énergie mécanique est constitué par le ou les vilebrequins reliés aux pistons des enceintes de compression. 7. Installation productrice d'énergie mécanique, à combustion semi-externe, suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée par le fait que l'enceinte ou chaque enceinte à piston de compression du fluide comporte un cylindre dans lequel circule le piston et dont la culasse comporte une soupape d'échappement à haute pression évacuant le fluide après sa compression et reliée à l'entrée de l'enceinte de combustion, et une soupape de renvoi, reliée à la sortie de ladite enceinte de combustion. 8. Installation productrice d'énergie mécanique, à combustion semi-externe, suivant la revendication 6, caractérisée par le fait que lesdites soupapes sont, de façon connue en soi, constituées par des simples clapets ou par des soupapes commandées. 9. Installation productrice d'énergie mécanique, à combustion semi-externe, suivant la revendication 6, caractérisée par le fait que l'espace mort se trouvant dans ladite enceinte de compression, entre la culasse et le piston dans sa position de fin de course de compression, est extrêmement réduit ou quasiment nul. 10. Installation productrice d'énergie mécanique,àcombustion semi-externe, suivant la revendication 5, caractérisée par le fait que la canalisation reliée à enceinte de combustion et à l'entrée de la turbine comporte un organe de régulation de pression constitué par exemple par un organe d'étranglement. 11. Installation productrice d'énergie mécanique, à combustion semi-externe, suivant la revendication 5, caractérisée par le fait qu'elle comporte une ou plusieurs chambres de combustion supplémentaires disposées dans la canalisation reliant ladite enceinte de combustion à l'entrée de la turbine.