Brevet FR2433100A1 — publié le 19800307

La présente invention concerne les moteurs à expansion comprenant au moins un cylindre dans lequel est monté un piston et qui est muni d'une soupape d'admission pour l'admission d'un fluide thermodynamique à ltétat de vapeur sous pression ainsi que d'une soupape d3échappement pour l'échappement de la vapeur détendue Ces moteurs, qui fonctionnent suivant le cycle de HIRNUINE, sont généralement utilisés avec des carbures fluorés, tels que ltoctafluorocyclobutane ou l'octafluorocyclopropane, qui sont trans- formés en vapeur surchauffée, à haute pression, dans une chaudière, par exemple dans une chaudière à rayonnement solaire. La présentenvention a pour objet un perfectionnement apporté à ces moteurs dans le but de réduire leur consommation spécifique. Le moteur selon l'invention est caractérisé en ce qutil comporte des moyens propres à faire varier le temps d'admission de la vapeur par rapport à son temps de détente. On peut ainsi réduire le débit de vapeur admis dans le cylindre et prolonger la détente de cette vapeur, ce qui réduit sa consommation spécifique. De plus, on peut faire varier la vitesse du moteur sans qu'il soit nécessaire de prévoir une botte de vitesses; en effet, lorsque la vitesse du moteur diminue, on peut augmenter le couple en augmentant le degré d'admission de vapeur dans le cylindre. Lorsque la vitesse est rétablie, on réduit le degré d'admission, le degré de détente augmentant proportionnellement.Par la variation du degré d'admission et de celui de détente, on peut obtenir une variation de la pression moyenne de la vapeur, donc une variation du couple et une variation de la puissance fournie par le moteur. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, dans lequel les soupapes d'admission et d'échappement sont commandées par des cames, la came d'admission présente une longueur périphérique variable sur la longueur de la came et est montée mobile axia liement, de sorte qu'en la déplaçant on peut faire varier le temps d'ouverture de la soupape d'admission. Si on déplace la came dans le sens ou sa longueur périphérique augmente, on augmente le temps d'admission et on diminue corré- lativement le temps de détente; la pression moyenne dans le cylindre est plus élevé et le couple moteur est plus grande Inversement, si on déplace la came dans le sens où sa longueur périphérique diminue, on diminue le temps d'admission, mais le temps de détente est par contre plus long. La pression moyenne de la vapeur dans le cylindre est plus faible et la consommation spécifique est réduite. La came d'admission peut 8trie mobile axialement sur son arbre de commande. Nais elle peut aussi être fixe sur son arbre de commande, celui-ci étant mobile axialement. Dans ce cas, la variation des temps d'admission et de détente se fait en déplaçant axialement cet arbre de commande. La came d'admission peut, comme cela est usuel, être monté sur le mEme arbre de commande que la came d'échappement. Dans ce cas, cette dernière came a une longueur au moins égale à la course de l'arbre de commande et présente un profil constant sur toute sa longueur. Le déplacement axial de l'arbre de commande, pour modifier le temps d'admission et de détente, n'a ainsi aucun effet sur l'échappement. Le déplacement axial de la came d'admission, ou de l'arbre sur lequel elle est fixée, peut être effectué manuellement. I1 est ainsi possible de modifier à volonté la vitesse du moteur ou de maintenir cette vitesse constante si le couple à fournir varie. Mais le moteur peut également être associé à un régulateur centrifuge qui est entrainé par l'arbre du moteur et qui est propre à déplacer axialement la came d'admission ou son arbre de commande. Le moteur présente alors un couple élevé au démarrage tout en ayant une consommation spécifique faible en régime normal. On a décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un moteur à expansion selon l'invention, à trois cylindres, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale du moteur; La Figure 2 en est une vue en coupe transversale, au droit de l'une des soupapes d'échappement, suivant II--II de la Fig. 1, La Figure 3 en est une vue en coupe transversale, au droit de l'une des soupapes d'admission, suivant III-III de la Fig. 1, La Figure 4 en est une vue en coupe par un plan horizontal passant par l'axe de l'arbre à cames, au moment du démarrage du moteur. La Figure 5 montre en développé une came d'admission, La Figure 6 montre en développé une came d'échappement, La Figure 7 est une vue semblable à la Figure 4, le moteur étant en régime, La Figure 8 montre la durée d'admission, de détente et d'échappement des trois cylindres du moteur, au moment du démarrage de celui-cie Les Figures Sa à 8c montrent les positions qu'occupent alors les cames d'admission des trois cylindres, La Figure 9 montre la durée d'admission, de détente et d'échappement, le moteur étant en régime, Les Figures 9a à 9c montrent les positions qu'occupent alors les cames d'admission, Les Figures lOa à l0c montrent les positions qu'occupent la came d'échappement des trois cylindres, au moment du démarrage du moteur. Tel qu'il est représenté au dessin, le moteur selon l2inven- tion comprend un b ti en acier 1 dans la partie supérieure duquel sont ménagés trois cylindres 2, 3 et 4 et qui comporte à sa partie inférieure un carter 5. A l'intérieur de- ce b ti est monté un vilebrequin 6 à trois manetons qui sont décalés à 1200 et sur lesquels sont fixées des bielles 7. Ces bielles sont articulées sur des pis- tons 8 sur lesquels sont pratiquées trois gorges où sont placés trois segments 9, en graphite, de manière à pouvoir fonctionner le moteur à sec, c 'est-à-dire sans graissage, Les segments du centre sont les segments porteurs et les deux autres segments des extrémités sont des segments d'étanchéité. La partie supérieure des cylindres est fermée par une culasse 10 fixée par une série de boulons. Sur la langueur de la culasse sont pratiquées deux canalisations 11 et 12 (Fig. 2 et 3), pour la circulation de la vapeur. La canalisation 11 est utilisée pour l'admission de la vapeur à haute pression dans chaque cylindre (Fig.3) et la canalisation 12 pour l'évacuation de la vapeur détendue (Fig.2). Dans la culasse 10, au dessus de chaque cylindre, sont pratiquées deux ouvertures 13 et 14 (Fig. 1) dans lesquelles sont placées respectivement une soupape d'admission 15 et une soupape d'échappe~ ment 16. Les soupapes sont montées chacune dans un corps 17 vissé dans la culasse 10; il est ainsi possible de contrler facilement leur étanchéité. Les ouvertures 13 et 14 sont en communication avec les deux canalisations 11 et 12 par des ouvertures 18 pour l'admission et 19 pour l'échappement (Fig. 2 et 3). Les soupapes d'admission 15 s'ouvrent vers l'extérieur et sont commandées par des culbuteurs 20; elles sont soumises à l'action de ressorts antagonistes 21 placés dans les corps 17. Les culbuteurs 20 sont commandés par un arbre 22 sur lequel sont montés trois cames d'admission 23 (Fig. 2 et 3), une pour chacune des soupapes. Les soupapes d'échappement 16 qui s'ouvrent vers l'intérieur, sont également soumises à l'action de ressorts antagonistes 21 et actionnées par des culbuteurs 24; ceux-ci sont commandés par des cames 25 montées sur le même arbre 22. L'arbre à came 22 est monté à rotation et peut en meme temps se déplacer axialement de la manière décrite plus loin. I1 porte d l'une de ses extrémités une poulie 27 reliée par une courroie den- tée 28 à une poulie 26 montée sur le vilebrequin 6 du moteur (Fig.l). Lorsque l'arbre 22 tourne, il entraine en rotation les cames 23 et 25; lorsqu'il se déplace axialement, il déplace ces cames par rapport à leur culbuteur. L'une des extrémités de l'arbre à cames 22 porte une série de cannelures 29 sur lesquelles est montée une pièce cylindrique 30 comportant trois bossages 31; sur chacun de ces bossages est montée pivotante autour d'un axe 32 une masselotte 33. Une paroi de cette masselotte est usinée sous forme d'une came courbe 34. Chaque came est en contact avec un roulement 35 monté sur une pièce 36. Cette piece est clavetée sur l'arbre à came 22 et est ainsi entrai- née en rotation par cet arbre. La pièce 36 est en contact avec une autre pièce 37, non rotative, par l'intermédiaire d'une butée à billes 38. Un ressort 39 est placé dans la pièce 37 et exerce sur elle, donc sur la pièce 36, une force longitudinåle, qui tend à déplacer longitudinalement l'arbre à came 22 de droite à gauche et est fonction de la compression du ressort 39. La pièce 37 est montée coulissante dans une pièce fixe 409 Une vis 41 montée pivotante dans la pièce 40, porte à son extrémité une butée pour le ressort 39; elle permet ainsi de régler la compression de ce ressort, donc la force appliquée sur l'arbre à cames 22, Cet arbre à cames 22 (Fig. 4) est monté dans deux paliers lisses 42 et 43 qui lui permettent de tourner sur son axe et, en même temps, de se déplacer longitudinalement.La pièce 30, qui est montée sur les cannelures 29 de l'arbre 22, est attachée, par l'in- termédiaire d'un roulement 44, sur une pièce 45 qui est fixe et maintient en meme temps le palier 42. La pièce 30 peut donc tourner avec l'arbre à cames 22 mais elle ne peut pas se déplacer longitudinalement. Seul l'arbre 22 peut se déplacer longitudinalement dans la pièce 30 grâce à ses cannelures 29. La pièce 45 est vissée dans un support 50 porté par la culasse 10. L'autre extrémité de l'arbre S cames 22 porte également une série de cannelures 46 sur lesquelles est montée la poulie 27 qui peut donc entrainer l'arbre dans son mouvement de rotation. Toutefois, cette poulie est également montée par l'intermédiaire d'un roulement 47 sur une pièce 48 qui maintient le palier 43 et est fixée sur un support 51 porté par la culasse 10. La poulie 27 peut donc entraîner l'arbre 22 dans son mouvement de rotation, mais elle ne peut pas se déplacer longitudinalement avec l'arbre. Gr ce à ses cannelures longitudinales 46, l'arbre 22 peut se déplacer dans cette poulie0 Comme on l'a déjà indiqué, l'arbre 22 porte les trois cames 23 qui commandent les soupapes 15 d'admission de vapeur dans les cylindres et les trois cames 25 qui commandent les soupapes 16 d'échappement. Les cames d'admission de vapeur 23 (Fig. 5) ont une forme particulière; vues en développé, elles ont la forme d'un triangle rectangle et leur partie la plus large s'étend sur environ 120 " Par contre, les cames 25 qui commandent les soupapes d'échappement 16 ont une forme rectangulaire (Fig. 6) et s'étendent sur environ 1800. Le fonctinnnement du moteur qui vient d'être décrit est le suivant Lorsque le moteur est arrêté (Fig. 4), les masselottes 33 sont au repos; la force centrifuge qui s'exerce sur elles est donc nulle. La force du ressort 39 déplace vers la gauche la pièce 37 et, par l'intermédiaire de la butée 38, la pièce 36, donc l'arbre à cames 22. En m8me temps0 par les roulements 35 qui sont en contact avec les cames 34, cette force maintient les masselottes 33 au repos, donc parallèles à l'axe. La position des trois cames d'admission 23 par rapport à leurs culbuteurs 20, ainsi que celle des trois cames d'échappement 25 par rapport aux culbuteurs 24, sont indiquées à la Figure 4. Dans cette position de repos et au moment du démarrage du moteur, les culbuteurs 20 qui commandent les soupapes d'admission 15; coopèrent avec la partie la plus longue des cames 25; les soupapes 15 sont donc maintenues ouvertes pendant un temps relativement long. De ce fait, le couple moteur est grand, car la pression maximale de la vapeur sur le piston est maintenue pendant une course de ce piston qui est longue. Lorsque la vitesse du moteur augmente, la force centrifuge écarte progressivement les masselottes 33 (Fig. 7) et, par leurs cames 34, fait déplacer vers la droite par ses roulements 35 la pièce 36, donc l'arbre à cames 22. Les cames d'admission de vapeur 23 sont déplacées également vers la droite par rapport à leurs culbuteurs 20. Les culbuteurs qui commandent les soupapes d'admission sont attaquées par les cames dans une zone où leur longueur périphérique est plus réduite; de ce fait, les soupapes d'admission de vapeur 15 restent ouvertes pendant un temps plus court par rap- port à la course du piston. Dans cette position, le degré ou la durée d'admission de vapeur dans les cylindres est plus faible; par contre, le degré de détente est plus long.De ce fait, la consommation spécifique diminue proportionnellement à l'augmentation du degré de détente par rapport à celui de l'admission (Fig. 7). Grâce à l'invention, on peut donc obtenir à volonté et pen- dans le fonctionnement du moteur, une variation de détente de vapeur dans les cylindres de 2 à 10 environ. On peut également maintenir constante la puissance ou la vitesse du moteur pour différentes charges grace à cette variation de degré dsadmission et de détente de vapeur par rapport à la course du piston. Cela se traduit par une variation moyenne de la pression de vapeur dans le cycle pendant l'admission et la détente. La Figure 8 indique dans un cycle la durée d'admission AD, de détente DE et d'échappement EA de la vapeur dans les cylindres 2 - 3 et 4, pendant la période de démarrage. Les Figures 8A-8B et 8C: indiquent la position des trois cames d'admission 23 de ces trois cylindres dont le degré de détente est V1 / VO = 2 et celui d'admission = 0,5. La Figure 9 indique le mEme cycle pendant le fonctionnement normal du moteur. Les Fibures 9A-B et C indiquent le degré de détente V1 / VO = 8 et celui d'admission = 0,13 par rap port à la course du piston. Les Figures lOa-B et C indiquent la position des cames d'échappement 25. La durée d'ouverture de ces cames est identique dans tous les cas et égale à celle d'une demi-course du piston. Au point de vue du fonctionnement, le cycle du moteur à expansion qui vient d'être décrit est à deux temps, c'est-à-dire qu'il y a, par tour, une admission suivie d'une eppansion pendant la course d'aller du piston et un échappement pendant la course de retour de ce piston. On a donc un travail par tour, ce qui fait que pour les trois cylindres on a trois temps de travail. Ce moteur est donc équivalent à un moteur à explosion à quatre temps, mais constitué de six cylindres. En modifiant la compression du ressort 39, par manoeuvre de la vis 41, on déplace la position des cames d'admission 23 pendant le fonctionnement normal du moteur, et on fait ainsi varier la puissance fournie par ce moteur. Il va de soi que la présente invention ne doit pas être considérée comme limitée au mode de réalisation décrit et représen- té, mais en couvre, au contraire, toutes les variantes. REVEND ICAT IONS 1. - Moteur à expansion comprenant au moins un cylindre dans lequel est monté un piston et qui est muni d'une soupape d'admission pour l'adRission d'un fluide thermodynamique à l'état de vapeur sous pression ainsi que d'une soupape d'échappement pour l'échappement de la vapeur détendue, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens propres à faire varier le temps d'admission de la vapeur par rapport à son temps de détente. 2. - Moteur selon la revendication le dans lequel les soupapes d'admission et d'échappement sont commandées par des cames, caractérisé en ce que la came d'admission présente une longueur périphérique variable sur la longueur de la came et est montée mobile axialement, de sorte qu'en la déplaçant on peut faire varier le temps d'ouverture de la soupape d'admission. 3. - Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la came d'admission est fixe sur son arbre de commande, celui-ci étant mobile axialement. 4. - Moteur selon la revendication 3, dans lequel la came d'admission est montée sur le même arbre de commande que la came d'échappement, caractérisé en ce que cette dernière came a une longueur au moins égaie à la course de l'arbre de commande et présente un profil constant sur toute sa longueur. 5. - Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, vue en développé, la came d'admission a la forme d'un triangle rectangle tronqué. 6. - Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est associé à un régulateur centrifuge qui est entratné par l'arbre du moteur et qui est propre à déplacer axialement la came d'admission ou son arbre de commande.