Brevet FR2474096A1 — publié le 19810724

La prés@nte invention concerne un dispositif de transmission d'énergie pneumatique dont le rendement thermique est nettement supérieur aux installations classiques où le récepteur est accouplé directement au générateur. Dans les dispositifs connus de ce genre, il est fait usage pour le générateur de compresseure à pistons dotés de soupepes automatiques daspiration et de refoulement d'air dont l'inertie interdit dee vitesses de rotation élevées donc un poi@ds prohibitif du générateur. la présence de ces clapets sur la culasse diminue la surface de réfrigération la plus efficace de l'air en cours de compression ce qui entraine l'augmentation de la puissance absorbée. Le rendement énergétique du récepteur est mhdiocre du fait des pertes a l'échappement et de la faible température de l'air 8 son admission le dispositif de transmission d'nergie, objet de l'invention permet d'éviter ces inconvénients. le générateur est un moteur à combustion interne à inection deux temps à pistons opposées dont les cylindres sont disposés en étoile. Ces derniers sont au nombre de trois OU de six.Les pistons inférieurs qui découvrent les lumières de balayage sont attelas au vilbrequin. Lea pistons supé- rieurs qui découvrent les lumières d'échappement sont liés mécaniquement aux pistons du compresseur d'air et au vilbrequin. Le piston moteur est doté d'une cavité an relation permanente avec la cylindrée Qu compresseur dont l'air en cours de compression ou en détente permet une réfrigération efficace de ce piston dont la fatigue thermique est très élevée. Pendant la phase détente de l'air de l'espace mort du compresseur une fraction de ces calories est transformée en travail moteur.Les compresseurs d'air sont dotés d'une distribution commandée : tiroirs cylindres ou robinet rotatif dont la variation de calage angulaire par rapport à l'arbre moteur permet une variation progressive du débit d'air aspiré. Pour un générateur à trois cylindres, deux de ceux-ci constituent le phase basse pression et le troisième la phase haute pression. La pompe de bolayage du moteur deux temps du générateur n'est pas attelée mécaniquement à son vilbrequin. Cette fonction est assurée par deux turbo compresseurs disposés en surie s le premier mu par l'échappement du récepteur aspire l'air atmosphérique pour le refouler à l'aspiration du deuxième turbo compresseur mu par les gaz d'échappement du générateur. Cylindres moteurs et cylindres basse pression du générateur sont alimentés par le mane collecteur. La pression absolue dans le collecteur est de 1 l'ordre de 2,1 1 bars. Chaque phase de compression est suivie d'une réfrigération de l'air moteur. Dans une première version, le récepteur à pistons est dots d'une distribution commandés identique dans -son principe à celui du générateur. Son couple moteur peut varier an grandeur et en signe suivant la position du calage angulaire de la distribution par rapport à l'arbre moteur. L'admission de ce récepteur est équipée d'un réchauffeur d'air alimenté par les gaz d'échappement du deuxième turbo compresseur. Les cylindres moteurs sont munis d'ailettes qui reçoivent les fumé es du récupérateur précédent.L'air est stock dans un réservoir dont la pression ab solue en marche normale continue est de l'ordre de 11 bars, p@n- dant certaines périodes cotte pression peut atteindre 20 bars air les engins de traction (freinage). Le générateur tourne à vitesse constante. Dans certaines installations fixes les cylindres basse pression sont équipés d'un dispositif d'injection d'eau pure ce qui permet de diminuer la puissance absorbe.Le ddbit d'eau est fonction du débit d'air absorbé c'est à dire de la position de l'arbre de commande de la distribution par rapport a l'arbre moteur laquelle dépend de la pression dans le rése@vpir d'air comprimé. Le récepteur dont les cylindres sont munis de lumières d'é- chappement aux points morts inférieure des pistons moteur qui évacuent en fi#de détentel'air admis au récepteur vers un éjecteur d'air. Cet air d'échappement possède une énergie cinétique suffisante pour aspirer a' travers le distributeur commandé, l'air refoulé par le piston moteur pendant La phase compression du cycle.Cet éjecteur compresseur fonctionne en Fartie comme un compresseur volumétrique s les "bouffdes" soi tant des lumières d'é- chappenent du récepteur emprisonnent entre elles l'air aspiré dans les cylindres moteurs. Le mélange d'air sortant de cet ejec- teur se rend à l'admission du premier turbo compresseur. La contre pression pendant la phase compression est ainsi sensiblement réduite. La distribution commandée, l'équilibrage partiel des forces d'inertie alternatives par les forces de pression sur les pistons, l'absorption des calories présente dans le piston moteur qui découvre les lumières d'échappement du cylindre moteur du générateur autorisent une vitesse linéaire très elevée des pistons du générateur et du récepteur, gage d'une réduction du poids de la tran@mission. Dans une deuxième variante le récepteur est une turbine0 L'air fourni par le générateur passe dans une chambre de combustion après avoir transité dans un récupérateur alimenté par les fumé es des turbo compresseurs. La température à l'admission de la turbine est de l'ordre de 900 à 950 C. la puissance fournie par la turbine est environ trois fois plus élevée que celle disponible à l'accouplement du récepteur à pistons décrit précédemment? La rdduction de la température et du débit d'air permettent la diminution de la puissance fournie par la turbine. Plusieurs géné- rateurs identiques peuvent fonctionner en parallèle sur la mème turbine.Son démarrage exige la mise en marche du générateur effectué à air comprimé fourni par un compresseur auxiliaire. La marche à vide contrairement à la tnrbi@@@ à gaz classique n'é- xige pas une dépense calorifique importante. Les facteurs qui contribuent à améliorer le rendement thermique du générateur sont les suivants - Compression de l'air en trois phases avec réfrigération intermédiaire - s@ppression de la pompe de balayage - récupération de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement dans un turbo compresseur à grand débit d'air - injection éventuelle d'eau pure dans les cylindres basse pression - récupération partielle des calories absorbées par le piston moteur qui découvre les lumières d'échappement - bon rendement mécanique db à la disposition en étoile des cylindres moteurs Les facteurs qui contribuent à améliorer le rendement ther mique du récepteur sont les suivants t dans une première version - réchauffage de l'air à l'admission - réduction de la contre pression résultant de la présence de l'éjecto compresseur -récupération de l'énergie contenue à l'échappement des cylindres moteurs dans un turbo compresseur à grand débit - réchauffage des cylindres moteurs par les gaz d'échappement du générateur - bon rendement mécanique Dans la deuxième version - rapport de détente et température élevés à l'admission de la turbine réceptrice. - récupération de l'énergie contenue dans les gaz d'échappelent dans un turbo compresseur et dans un réchauffeur d'air issu du générateur. Dans cette deuxième version le rendement thermique de la transmission est de l'ordre de 0,46 sans injection d'eau dans les cylindres compresseurs basse pression du générateur, contre 0,32 dans une turbine à gai classique munie de récupérateurs. Dans la première version pour une application destinée à la traction ce rendement de transmission est de l'ordre de 0,40 à la rou@ motrice contre 0,313 dans la disposition classique équipés d'embrayage, boite de vitesses, paliers intermédiaires. Dans les deux versions la diminution du rendement thermique est beaucoup moins rapide que dans les installations classiques car l'efficacité de la réfrigération de l'air en cours de compression dans le générateur est meilleure aux faibles charges, le taux de détente du récepteur à pistons augmente, la température des gaz d'échappement du générateur reste sensiblement constante car le rapport peids de combustible poids d'air reste constant : seule la pression d'air de balayage diminue. Dans un véhicule la marche avant, la marche arrière, le freinage sont assurés par la commande d'un seul levier qui agit sur le calage de l'arbre de commande de la distribution par rapport à l'arbre moteur. Pendant les descentes le générateur peut être arr@té. Les organes de cette transmission peuvent être utilisés séparément dans d'autres applications. Le générateur peut devenir un compresseur d'air indépendant mais il doit être équipé d'une pompe de balayage attelée à l'arbre moteur et dont l'air aspiré est fourni par un turbo compresseur mu par les gaz d'échappement des cylindres moteurs tmadis que l'air refou@lé est dirigé vers les cylindres basse pression et les tubulures d'admission d'air de balayage des cylindres moteurs. Le récepteur à pistons peut être utilisé comme machine à vapeur d'eau qui est dirigée à sa sortie vers l'éjecto compresseur et la turbine de récupération dont l'échappement est conduit vers des utilisateurs exigeant un apport thermique. Cette disposition contrairement à la turbin à vapeur classique à contre pression permet d'utiliser de faibles débits de vapeur. Le rendement de l'installation concernant la fourniture d'énergie électrique est très élevé.Le choix i - du nombre de cylindres - du nombre de récepteurs - de la vitesse de rotation - du rapport de détente qui permet d'accepter des pressions d'admission variant de 55 bars (2 cylindres haute pression et 4 cylindres basse pression) à 6 bar pour un même type de modèle est envisageabl.. Ces récepteurs peuvent être accouplés à des moteurs asynchro nes à double cage fonctiennant on génératrices au dessus de la vitesse de synchronisme. Le récepteur peut être utilisé comme un détendeur de gaz avec fourniture d'énergie électrique, ou comme compresseur de gaz. Dans ce dernier cas un compresseur rotatif ou centrifuge lié mécaniquement à l'arbre moteur permet d'augmenter le débit de fluide aspiré @ la pression de refoulement de ce compresseur de surali- mentation est de l'ordre de I,2 bar absolue. Compresseurs frigorifiques, pompes à chaleur avec possibilité de récupération partielle de l'énergie de compression, sont du domaine de son application. Les dessins annexés représentent : - les schémas du dispositif de transmission d'énergie dans les deux versions. - une vue partielle en coupe du générateur d'air comprimé - une vue partielle an coupa du récepteur à pistons - les épures et diagrammes de fonctionnement du générateur et du récepteur. La figure 1 représente le schéma de la transmission pneumarique de la première version. Les muméros de référence indiqués par les chiffres concernent s 1 - le générateur (3 cylindre) 2 - le récepteur 3 le premier turbo compresseur alimenté par l'échappement du récepteur 4 - le deuxième turbo compresseur alimenté par les gaz d'échap pement du générateur 5 - l'éjecteur alimenté par l'échappement principal du récepteur 6 - un réfrigérant d'air 7 - un réfrigérant d'air 8 - un réfrigérant d'air 9 - un réfrigérant d'air 10 - une soupape de sécurité 11 - le réservoir d'air comprimé 12 - Le compresseur auxiliaire pour le démarrage du générateur 13 - groupe d'auxiliaires mus par un moteur à air comprimé à deux phases. 14 - soupape de démarrage du générateur 15 - soupape d'admission d'air permettant d'obtenir une pres- sion ahsolue de l'ordre de 1,1 bar à l'admission du gé nérateur Les clapets de retenue non référencés permettent la marche en compresaeur d'air du récepteur. La figure 2 représente le schéma de la transmission pneumatique de la deuxième version. Les numéros de référence indiqués par les chiffres concernent : I6 - la turbine à gaz I7 - le récepteur entrainé par la turbine 18 - la chambre de combustion 19 - la soupape de réglage du débit de combustible 20 - la soupape de réglage du débit d'air Les autres références concernent les mèmes appareils que coux de la figure 1 La figure 3 représente une vue partielle en coupe du gdnéra- teur. les numéros de référence indiqués par les chiffres concernent : : 1 le cylindre moteur 2 - le piston qui découvre les lumières de balayage 3 - le piston qui découvre les umières d'échappement 4 - la cavité de ce dernier piston 5 - le piston compresseur d'air 6 - l'arbre moteur 7 - le tiroir de distribution 8 - l'arbre de commande des distributeurs 9 - le train d'engrenage de commande de l'arbre des distribu- teurs 10 - la tige de commande du déplacement angulaire de l'arbre 8 par rapport à l'arbre moteur.Cette tige est munie d'un clavetage hélicoïdal réversible & multiples filets dont le déplacement axial prevoque le décalage angulaire de l'arbre de commande de la distribution par rapport à l'arbre moteur 11 - le piston de commande de la tige 10 - son déplacement est fonction des variations de pre@@ion dans le réservoir d'air comprimé 1@ - l'engrenage de commande du pignon I3 13 - le pignon de commande de l'arbre de distribution 14 - l'orifice de communication avec le réservoir d'air com- prim@ 15 - les lumières d'admission ou de refoulement d'air 16 - les lumières de refoulement d'air 17 - la tubulure de refoulement 18 - la tubulure d'aspiration 19 - Les ailettes de refroidissement d'air en cours de com pression Le dispositif éventuel d'injection d'eau pure n'a pas été représenté sur cette figure. La figure 4 représente une vue partielle en coupe du récepteur Les numéros de référence indiqués par les chiffres concernent : 1 - l'abre moteur 2 - la came de commande des organes de distribution 3 - la tige de commande qui permet la décalage angulaire de la came de commande par rapport à l'arbre moteur et dont le fonctionnement est t identique à celui du générateur. 4 - la tige de commande permettant le déplacement axial de la tige 3. Cet organe est placé sous le contrble du dispositif permettant la variation du couple moteur 3 - l'organe de distribution permettant un contact perma- nuent entre galet et came (2 par cylindre) 6 - les cylindres moteurs avec leurs ailettes de réchauffage 7 - l'orifice d'échappement primaire qui évacue les "bouffées" d'air haute pression vers l'éjecteur 8 - l'orifice d'échappement secondaire qui évacue l'air refoulé par le piston vers la tubulure d'admission de l'éjecteur. 9 - la tubulure d'admission d'air réchauffé 10 - l'enveloppe qui permet la distribution des fumées @@ur les ailettes. Lorsque le couple moteur devient négatif (freinage) le récepteur fonctionne en compresseur l'air aspiré par les orifices 7 à 8 est refoulé vers le réservoir d'air comprimé. Le dessin de la figure 5 représente l'épure et le diagramme de fonctionnement du cycle du générateur. La référence t repré- sente le diagramme basse pression, tandis que la référence 2 in disque celui de la haute pression. Les traits pleins représentont le fonctionnement du système à débit d'air aspiré maximum et les traits en pointillé celui à faible charge. La pression dans le réservoir augmente lorsque la charge du générateur diminue ce qui permet d'augmenter le @ouple de démarrage du récepteur. Aux faibles charges le débit d'air aspiré est en partie refoulé par la tubulure I8 de la figure 3.Le décalage angulaire de la distribution dans le même sens que celui de l'arbre moteur est inférieur à 900 Le dessin de la figure 6 représente l'épure et le diagramme de fonctionnement du récepteur à pistons. Les trait@ pleins figurent le diagramme lorsque le couple moteur est maximum et que la vitesse linéaire du piston est de l'ordre de 10 m/sec. Les trait. pointillés représentent le diagramme à couple moteur réduit. Le dessin de la figure 7 représente le fonctionnement du récepteur lorsque le couple moteur set négntif (freinage). Coluici dépend de la grandeur de l'angle de calage de la distribution Ce couple augmente quand la vitesse du récepteur diminue : la valeur de la décélération croit quand la vitesse de l'engin entrain diminue. Si le conducteur du véhicule n'intervient pas celui-ci se met en marche arrière et dans cette phase le couple moteur est fonction de l'angle de calage de la distribution. La première variante de l'invention peut btre utilisée dans tous les cas où le couple moteur change fréquemment en grandeur et en signe et lorsque la puissance demandée se situe entre 150 cv et 1000 cv. La présence de plusieurs transmissions autonomes sur un engin de traction, véhicule sur voie ferrée par exemple permet d'augmenter cette puissance et la sécurité de marche. Sur un camion de fort to@@age plusieurs solutions possibles : - deux roues motrices par attaque du récepteur sur le diffé- rentiel ou sur les moyeux de roues par l'intermédiaire d'un réducteur. - quatre roues motrices par les mèmes moyens La présence du récepteur sur chaque roue motrice permet d'obtenir sur un engin blindé par exemple, sa rotation autour d'un axe vertical en faisant tourner en sens inverse les récepteurs placés aur deux côtés opposés du véhicule ou sur un camion de réduire le rayon de braquage. Pour certaines utilisations X engins de travaux publics, chalutiers, remorqueurs, l'air comprimé fourni par le générateur peut être utilisé pour la commande des auxiliaires, groupes électrogènes, treuils, chaluts, compresseurs frigorifiques etc.... sous la réserve que l'échappement des moteurs de commande soit dirigé vers d'admission d'air au premier turbo compresseur. La deuxième version de l'invention est utilisée lorsque le couple moteur à l'accouplement de la turbine conserve le mime signe s générateurs d'électricité, compresseurs axiaux ou centri- fuges, hélices marines (l'amploi d'un réducteur inverseur est ici indispensable). La chambre de combustion peut être alimenté par gaz sous pression riche ou pauvre. Les puissances fournies par un seul générateur identique à celui de la première version se situent entre 400 et 3000 cv. Cos chiffres sont à mult@plier par le nombre de générateurs pour une même turbine. Récepteur et générateurs peuvent être utilisés individuellement comme il a été précisé plus haut. REVENDICATIONS 1 ispositif de transmission pneumatique d'énergie dont le rendement thermique est supérieur à celui d'une transmission directe et dont le générateur (1) à à vitesse constante comporte six ou trois cylindres mo@urs deux temps à pistons opposés disposés en étoile. Les pistons qui découvrent les lumières d'échappement. étant fixés aux pistons haute et basse pression du compresseur. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les cylindres du compresseur sont dotés de tiroirs cylindriques ou de robinets rotatifs commandés par un arbre dont le calage angulaire par rapport à l'arbre moteur permet de faire va- rier progressivement le débit d'air aspiré. 3 - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le décalage angulaire de la distribution s'effectue par le déplacement axial d'une tige de commande qui porte un c aveta- ge hélicoidal réversible logé dans l'arbre de commande de la distri bution. 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le - fait que les pistons moteurs qui découvrent les lumières d'échap- pement des cylindres moteurs portent une cavité en relation avec le cylindre de compression qui permet d'émé@iorer leurs refroidis- sements. 5 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les réfrigérations de l'air en cours de compression dans les appareils (6) (7) @t (@) peuvent ftre complétées par une injection d'eau pure dans les cylindres liasse pression et dont le débit est fonction du débit d'air aspiré. 6 - Dispositif selon la revendication 9 caractérisé par le fait que dans une première version, le récepteur (2) est un moteur à pistons à distribution commandée identique dans son principe à celui du générateur et dont la variation de son décalage amgu- laire par rapport à l'arbre moteur permet de faire varier le couple moteur en grandeur et en signe (freinage) 7 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que les pistons moteurs à leurs fins de course de détente découvrent des lumières d'échappement en communication avec l'ad- mission d'un ou deux éjecteurs d'air (S) 8 - Dispositif selon la revendication 7 caractérisé par le fait que les "bouffées" d'air comprimé à haute pression disponibles à l'admission de cet éjecteur aspirent l'air du cylindre pendant la phase compression du cycle moteur à travers le distri- buteur. 9 - Dispositif selon la revendication 8 caractérisé par le fait que le mélange d'air à la sortie de cet éjecteur est admis dans un turbo compresseur (3) qui aspire l'air atmosphérique qui transite à travers la transmission. 10 - Dispositif selon la revendication 9 caractérisé par le fait que l'air fourni par le turbo compresseur (3) est dirigé vers l'aspirat@on d'un deuxième turbo compresseur (4) mu par les gaz d'échappement du générateur (1) qui fournit son air de balayage aux cylindres moteurs et aux cylindres basse pression du générateur. 11 - Dispositif selon la revendication 10 caractérisé par le fait que le moteur deux temps ne possède pas de pompe de balayage attelée mécaniquement à l'arbre moteur, mais qu'aux faibles charges du générateur ce service est assuré par l'ouverture d'une soupape (15) qui admet l'air comprimé prélevé sur le réservoir (11) à l'admission du trubo compresseur (3) 12 - Dispositif selon la revendication 10 maractérisé par le fait que l'échappement du turbo compresseur (4) est dirigé vers um réchauffeur d'air (8) placé à l'admission du récepteur (2) et gur les ailettes portées par les cylindres de ce dernier. 13 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que le récepteur peut fonctionner en compresseur d'air : l'air atmosphérique étant absorbé principalement par les orifices portés par les cylindres moteurs du récepteur, des clapets de tenue disposés sur certaines conduites permettant cet usage. 14 - Dispositif selon la revendication I caractérisé par le fait que dans une deuxième version, le récepteur à pistons (2) est remplacé par une tu@bina précédée d'une chambre de combustion qui reçoit l'air issu du générateur (1) après @assage dans un récupérateur alimenté pâ@ les fumées des turbo compresseures (3) et (4) I5 - Dispositif selon la revendication 1 caract@risé par le fait que le générateur peut fonctionner d'une manière autonome comme compresseur d'air ou de gaz sous la réserve qu'il soit muni d'une ou de deux pompes de suralimentation basse pression, atte- lées mécaniquement à l'arbre moteur. I6 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que le récepteur peut fonctionner d'une manière autonom@ comme compresseur d'air ou de gaz, machines frigorifiques, pompes à chaleur, qu'il soit muni ou non dune pompe de suralimentation basse pression attelée i l'arbre moteur, ou encore, comme machin@ à vapeur ou détendeur de gaz avec récupération d'énergie.