Brevet FR2490720A1 — publié le 19820326

L'invention est relative à un ensemble de conversion de l'éner- gie d'expansion d'un gaz en une autre forme d'énergie, par exemple é- lectrique, hydraulique ou pneumatique par l'intermédiaire d'au moins une pièce mobile. L'énergie primaire peut être produite par un moteur à com- bustion interne à pistons se déplaçant en mouvement linéaire alternatif dans des cylindres et en induisant le mouvement alternatif similaire d' au moins une pièce mobile d'un transformateur d'énergie. Les besoins en unités mobiles et compactes du type groupe élec- trogène, moto-pompe, moto-compresseur et autres, ainsi que le faible rendement des machines de ce genre existantes, justifient pleinement que l'on ait cherché à utiliser de façon optimale le mouvement alterna- tif des pistons des moteurs à vapeur et surtout à combustion interne en supprimant l'attelage classique bielle-villebrequin pour entraîner di- rectement par liaison mécanique rigide et dans le même mouvement, la pièce mobile d'un transformateur d'énergie. Cette pièce mobile peut être un noyau magnétique se déplaçant par rapport à un enroulement fi- xe pour produire de l'énergie électrique, comme dans le cas d'un alter- nateur, ou un piston balayant un cylindre comme dans le cas d'une pom- pe ou d'un compresseur. La recherche de la compacité maximale pour une puissance disponible suffisante a conduit par ailleurs à coupler plu- sieurs unités motrices travaillant en synchronisme pour un résultat optimal. Ainsi on connaît des machines présentant deux pistons libres opposés se déplaçant dans un cylindre commun et définissant entre eux une chambre de combustion de moteur à explosion. Chacun des pistons mo- teurs est solidaire par une tige d'un piston de pompage balayant un cy- lindre disposé à chacune des extrémités du cylindre moteur, ce qui, hor- mis la conversion proprement dite de l'énergie mécanique produite, se traduit par un encombrement linéaire considérable. Dans certains cas, chaque piston moteur constitue lui-même un noyau magnétique coopérant avec un enroulement fixe entourant les extrémités du cylindre. On a proposé également des convertisseurs comprenant un cylindre fermé à ses extrémités et dans lequel se déplace un piston libre, cha- que extrémité du cylindre constituant une chambre de combustion. Le piston est relié à une pièce mobile d'un transformateur d'énergie par une tige traversant de façon étanche une extrémité du cylindre. Toutes ces propositions connues de machines pour la conversion d'énergie voient leur application industrielle irrémédiablement freinée par un certain nombre de problèmes inhérents à leur conception même. Parmi ceux-ci, évoquons entre autres: - Les pièces mobiles sont nécessairement réparties le long d'un seul et même axe. Les unités correspondantes sont donc finies. -L a puissance utile engendrée est limitée par la nécessité de conser- ver la maîtrise de l'énergie cinétique 'développée. Ainsi, dans le cas d'un alternateurla masse du noyau magnétique devient vite prohibitive. - La proximité et la liaison mécanique entre les parties motrice et génératrice implique entre celles-ci des transferts de chaleur indé- sirables et qui affectent te rendement de l'installation. - La stabilité de la fréquence du cycle moteur n'est pas maîtrisée, ce qui entraîne une instabilité résultante de la fréquence de l'énergie produite. - Dans le cas des moto-pompes et moto-compresseurs, il est nécessaire de faire appel à un dispositif démarreur extérieur à l'ensemble de con- version proprement dit. L'invention se propose de remédier à ces divers inconvénients par la mise en oeuvre d'un ensemble de conversion d'énergie constitué d'un nombre pairs d'unités motrices à piston et cylindre moteurs, tra- vaillant en opposition de phase deux à deux et o toute liaison méca- nique rigide entre les unités de chaque paire est supprimée etiemplacée par une transmission par tampon hydraulique, ce qui fait disparaître la contrainte de l'alignement sur un seul et même axe. Ce genre de transmission permet de faire appel à un nombre pair quelconque d'unités motrices et de les répartir dans l'espace au mieux des besoins. La com- pacité ainsi obtenue autorise en outre un couplage facile entre les ad- missions de gaz frais dans les unités motrices. L'invention permet d'- autre part l'interposition entre les parties motrices chaudes et les parties transformatrices d'énergie d'un important mouvement d'air frais créé par une chambre d'aspiration située entre elles. Par ailleurs, dans le cas d'une génératrice du type alternateur, une transmission hydraulique indépendante de la première permet de localiser cette par- tie loin des parties chaudes et de fractionner le noyau inducteur en plusieurs noyaux distincts et indépendants coopérant chacun avec un enroulement. L'intégration à l'ensemble d'un système de mise en marche et fournissant en outre l'énergie nécessaire au fonctionnement de di- 2 4 90 7 vers accessoires est également possible, de même que l'intégration d'un système régulateur de la fréquence du cycle moteur. En plus des possibilités qui viennent d'être évoquées, l'in- vention apporte d'autres avantages: rendement élevé qu'on peut espé- rer trois à quatre fois supérieur à celui des machines classiques(voir "Science et Vie", décembre 1979, NO 747, pages 100 et 101), grande fia- bilité par la mise en oeuvre de principes connus et éprouvés, polyva- lence car une même génératrice peut fournir simultanément ou unitaire- ment de l'énergie sous forme électrique, hydraulique ou pneumatique et fonctionner avec tout type de carburant pour l'énergie primaire. L'invention est exposée avec plus de détails dans la description de formes de réalisation qui suit, et pour l'intelligence de laquelle on se référera aux dessins parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un alternateur réalisé conformé- ment à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe selon AA de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe selon BB de la figure 1, - la figure 4 est une vue en coupe selon AA de la figure 1, mais cor- respondant à une autre forme d'exécution relative-à une moto-pompe. - les figures 5 à 7 sont des représentations schématiques de trois va- riantes d'ensembles convertisseurs selon l'invention, illustrant di- verses possibilités de combinaison entre unités fonctionnelles. L'ensemble convertisseur d'énergie conforme à l'invention re- présenté aux figures 1 à 3 comprend des moyens moteurs, identifiés par la référence générale 1, une transmission hydraulique 2 entre ces moyens moteurs à laquelle peut être intégré un système de mise en marche et a- limentation annexe 2a, des moyens transformateurs 3, 3a de l'énergie produite par les moyens moteurs 1, et, en outre, un dispositif régula- teur 4 de la fréquence du cycle moteur. Les moyens moteurs 1 sont ici constitués par une paire d'unités motrices 5 comportant chacune un piston moteur 6 se déplaçant dans un cylindre moteur 7 dont l'extrémité voisine du point mort haut du pis- ton 6 est borgne. Cette extrémité est équipée d'une soupape d'admission 8 animée par un électroaimant9 commandant l'admission d'air frais dans le cylindre 7, d'un injecteur 10 à commande électromagnétique de type connu alimentant en carburant la chambre de combustion Il. Les injec- teurs 10 sont reliés de façon connue à une pompe d'injection non repré- sentée. A son autre extrémité, au voisinage du point mort bas du piston 6 chaque cylindre 7 présente deux lumières d'échappement 12 des pro- duits de combustion, diamétralement opposées comme le montre le mieux la figure 3. Ces deux unités motrices telles que décrites et repré- sentées consituent deux moteurs Diesel à deux temps et admission hau- te, et travaillant, comme il apparaîtra clairement plus loin, en op- position de phase l'une par rapport à l'autre. Les lumières d'échap- pement 12 sont avantageusement raccordées à des conduits 13 dirigeant les produits de combustion vers un échappement à silencieux(non re- présenté). En outre, des orifices 14 de mise à l'air libre du fond du cylindre 7, peuvent assurer, conformément à l'invention une cir- culation d'air frais entre les unités motrices 5, chaudes, et les au- tres parties de l'ensemble convertisseur d'énergie. Chaque cylindre moteur 7 est prolongé par un cylindre de pom- page 15 et séparé de celui-ci par une cloison annulaire 16.-Solidaire du piston 6 par une tige 18 traversant de façon étanche la cloison 16, un piston de pompage 17 balaie le cylindre de pompage 15. Le volume variable défini par le cylindre 15, la cloison 16 et la face supé- rieure du piston 17 constitue une chambre d'aspiration-compression 19. Le cylindre de pompage 15 présente un diamètre supérieur à celui du cylindre moteur 7, ce qui, comme on le comprendra plus loin, permet une suralimentation en air de la chambre de combustion 11 de l'autre unité motrice 5. La chambre d'aspiration-compression 19 présente au voisinage de la cloison 16 deux lumières d'admission 20 diamétrale- ment opposées, raccordées chacune à un conduit d'admission 21 et à un conduit de transfert 22. Le conduit d'admission de chaque unité est raccordé de façon classique à un filtre à air 23 avec interposition de clapets anti-retour 24. Le conduit de transfert 22 est, lui, rac- cordé à la soupape d'admission 8 de l'autre unité motrice 5. Les con- duits de transfert 22 des deux unités motrices 5 sont donc croisés, ce qui assure un certain couplage entre celles-ci, permet de disposer la chambre d'admission-compression 19 entre les parties motrices chaudes et les parties transformatrices et réduit considérablement l'encom- brement en longueur de l'ensemble. Par ailleurs, comme on le verra en référence à la figure 7, le croisement des conduits de transfert 22 peut aussi être réalisé entre unités motrices 5 non liées entre elles par une transmission hydraulique 2, ce qui permet une très grande sou- plesse dans l'adaptation dans le nombre et la répartition spatiale des unités fonctionnelles au mieux des besoins à satisfaire. Au-delà du piston 17, la tige 18 se prolonge pour porter à son extrémité un piston transmetteur 25 se déplaçant dans un cylindre de transmission 26 situé dans le prolongement du cylindre de pompage 15 et de diamètre inférieur à celui de ce dernier. Un joint d'étanchéité 27 traversé par la tige 18 sépare les cylindres de pompage 15 et de trans- mission 26. L'extrémité de chaque cylindre de transmission 26 opposée au joint 27 est ouverte et reliée par une canalisation étanche 28 comportant une partie cylindrique à l'extrémité du cylindre de transmission 26 as- socié à l'autre unité motrice 5. Entre les pistons transmetteurs 25, les cylindres de transmission 26 et la canalisation 28 sont remplis d'un fluide hydraulique par lequel s'opère la transmission du mouvement du piston transmetteur 25 correspondant à une unité motrice 5 au piston transmetteur 25 de l'autre unité. Ainsi le déplacement moteur vers son point mort bas de l'attelage constitué par les pistons 6,17,25 et la ti- ge 18 d'une unité motrice 5 entratne le déplacement résistant vers son point mort haut de l'attelage correspondant 6,17,25,18 de l'autre unité. Ce mode de transmission conforme à l'invention entre les deux unités 5 travaillant en opposition de phase permet de disposer les axes de cha- que unité de façon quelconque l'un par rapport à l'autre, y compris dans des plans différents. Dans l'exemple représenté aux figures 1 et 2, la partie cylindri- que de la canalisation 28 peut renfermer un noyau magnétique cylindri- que 29 mobile dans cette canalisation 28 à la manière d'un piston libre. Cette canalisation 28 reçoit alors extérieurement au moins un enroulement électrique 30. Le déplacement du fluide hydraulique sous l'action des pistons transmetteurs 25 entratne un mouvement alternatif du noyau ma- gnétique 29 qui va induire un courant alternatif dans l'enroulement 30. Un alternateur 2a est donc ainsi constitué qui peut être utilisé pour le fonctionnement de la pompe à carburant, des injecteurs 10, des soupapes 8 et autres accessoires. Par ailleurs un enroulement électrique superpo- sé au précédent 30 et alimenté par un courant transitoire de forte inten- sité, par exemple en provenance d'accumulateurs, permet l'utilisation de cet alternateur 2a comme démarreur de l'ensemble convertisseur d'énergie. La conversion de l'énergie proprement dite, c'est-à-dire pour l'utilisation extérieure au convertisseur, se situe à un autre niveau. La face du piston de pompage 17 en regard du joint d'étanchéité 27, délimite dans le cylindre de pompage 15 une chambre de travail 31. Celle-ci comporte au voisinage du joint 27 deux ouvertures 32 diamé- tralement opposées et équipées de raccords 33 de type connu. Par ces raccords 33, les ouvertures 32 sont reliées chacune à l'ouverture cor- respondante de l'autre unité par deux canalisations 34 comportant au moins une partie cylindrique. Entre les pistons de pompage 17, les cham- bres de travail 31 et les canalisations 34 sont remplies d'un fluide hy- draulique. Dans chaque canalisation 34, un noyau magnétique cylindrique se meut alternativement comme un piston libre sous l'action du flui- de hydraulique soumis au mouvement de va-et-vient imposé par le jeu des pistons de pompage 17. Par leur déplacement, les noyaux 35 induisent dans au moins un enroulement électrique 36 disposés autour de la par- tie cylindrique de chaque canalisation 34 un courant alternatif, ce qui, conformément à l'invention constitue sous la forme d'un alternateur 3 un transformateur en énergie électrique de l'énergie mécanique des pistons moteurs 6. La mise en mouvement des noyaux magnétiques 35 par transmission par tampon hydraulique indépendant de la transmission hy- draulique principale assurant le couplage méca - nique 2 entre les unités motrices 5, permet d'éloigner la partie alter- nateur des parties chaudes de l'ensemble convertisseur, et en augmen- tant le nombre des ouvertures 32 et des canalisations 34, de fraction- ner les noyaux magnétiques en en réduisant les masses individuelles. On notera que la fréquence du courant électrique produit dans les enroulements 36 de l'alternateur 3 est évidemment liée à celle du cycle moteur. Ainsi pour un courant disponible à 50Hz, il serait néces- saire de faire fonctionner les unités motrices 5 à 3000 cycles par mn. Ce régime relativement élevé peut être diminuer en disposant des enrou- lements successifs 36 le long des canalisations 34. Ainsi, avec trois enroulements 36 successifs pour la même fréquence disponible, le régi- me moteur sera ramené à 1000 cycles par mn. Cependant, le rendement de tels alternateurs dépendant entre autres et en grande mesure de la vi- tesse de translation des noyaux inducteurs 35, il est préférable de cher- cher à produire une fréquence de courant beaucoup plus élevée et de dis- poser entre les bornes de l'alternateur et les organes consommateurs, un dispositif diviseur de fréquence, ce qui ne pose pas de problème par- ticulier. Un autre mode de réalisation d'ensemble convertisseur d'énergie selon l'invention est illustré par la figure 4. Il s'agit d'une moto- pompe obtenue sans modification de la structure de base ni du fonction- nement fondamental. Il suffit pour ce faire de démonter la partie al- ternateur 3 décrite plus haut, d'équiper les raccords 33 associés aux ouvertures 32 de supports 37 de clapets 38,39, l'un des supports 37 249072i portant un clapet 38 pour l'admission du fluide à pomper dans la chambre de travail 31, l'autre support 37 portant un clapet 39 pour l'expulsion anti-retour de ce fluide., De manière analogue, l'ensemble sera converti en moto- compresseur en montant sur les raccords 33 les soupapes adéquates. Cet exemple de réalisation ne nécessite pas d'illustration ni de commentaires particuliers. Dans l'ensemble convertisseur décrit jusqu'à présent dans divers modes de réalisation, il peut gtre utile de chercher à ob- tenir un ralentissement efficace -des masses mobiles en fin de cour- se. Ce ralentissement est assuré pour une grande part par l'air fai- sant l'effet de ressort mis en compression dans l'une ou l'autre des chambres de combustion Il et l'une ou l'autre des chambres de pompa- ge 19. Conformément à l'invention, une amélioration importante est obtenue par un dispositif amortisseur 4 incorporé à l'ensemble et permettant en outre de stabiliser la fréquence du cycle moteur à la valeur choisie en rendant constant le rapport de compression dans les chambres de combustion 11 et en absorbant une partie de l'éner- gie cinétique des masses mobiles en fin de course. Ce dispositif, représenté à la figure 1, est constitué par une lame élastique'ar- quée 40 disposée dans chaque chambre de pompage 19. Chaque lame 40 comporte un évidement permettant' le passage de la tige 18. La lame est articulée à une extrémité sur une pièce 41 ancrée dans le haut du cylindre 15, l'autre extrémité étant articulée sur un pis- ton 42 coulissant dans un alésage-43 pratiqué dans le bloc du cylin- dre 15 à l'opposé de la pièce d'ancrage 41. Lorsque le piston 17 appuie sur la lame 40, il la sollicite en faisant diminuer sa cour- bure, ce qui a pour effet de pousser le piston 42 dans l'alésage 43. Les alésages 43 de chaque unité motrice sont raccordés entre eux par une conduite 44 contenant un fluide hydraulique et présentant un é- tranglement 45 constitué par un diaphragme réglable(représenté par un simple rétrécissement sur la figure 1). Cet étranglement qui s'oppose au passage rapide du fluide hydraulique d'un alésage 43 dans l'autre engendre une force résistante à l'encontre du déplace- ment du piston 42 et par le truchement de la lame élastique 40 au déplacement du piston 17 et de l'attelage 18,6,25 dont il est soli- daire et par absorption de l'énergie cinétique assure ainsi un frei- nage efficace en fin de course. Grâce aux caractéristiques de l'invention que sont notamment la transmission par tampon hydraulique 2 entre les unités motrices , le couplage des admissions de gaz frais par les conduits de trans- fert 22 et la transmission hydraulique entre les unités motrices 5 et les alternateurs 3, de nombreuses variantes d'ensembles convertis- seurs d'énergie combinant un nombre pair d'unités motrices 5 et plu- sieurs transformateurs d'énergie 3 de même type ou de types diffé- rents sont de réalisation facile. Ainsi, la figure 5 illustre un ensemble convertisseur confor- me à l'invention et comprenant quatre unités motrices 5 actionnant simultanément un alternateur 3, une pompe 46 et un compresseur 47, trois transformateurs d'énergie tels que décrits ci-dessus. Les uni- tés motrices 5 sont liées par paires au moyen de transmissions hy- drauliques 2 et par leurs conduits de transfert 22. La chambre de travail 31 d'une unité 5 de chaque paire est raccordée à une extré- mité d'une canalisation 34 d'un alternateur 3, la chambre 31 de 1' autre unité motrice 5 de chaque paire constituant respectivement une pompe 46 et un compresseur 47. La figure 6 illustre une autre possibilité de combinaison de deux paires d'unités motrices 5 liés deux-à deux par transmissions hydrauliques 2 et conduits de transfert 22. La chambre de travail 31 d'une unité motrice de chaque paire est reliée à celle d'unité motri- ce de l'autre paire par quatre alternateurs 3. La figure 7 représente un ensemble convertisseur d'énergie dans lequel six unités motrices 5 sont. reliées en série par trois transmissions hydrauliques 2 et six alternateurs 3, chaque unité mo- trice étant couplée à deux unités adjacentes par les conduits de transfert 22. D'autres combinaisons sont évidemment possibles. REVENDICATIONS 1/ Ensemble de conversion de l'énergie d'expansion d'un gaz en une autre forme d'énergie par l'intermédiaire du mouvement linéaire al- ternatif d'au moins une pièce mobile, caractérisé par le fait qu'il comprend un nombre pair d'unités motrices(5) à piston(6) et cylin- dre moteur7àéfinissant une chambre(11) couplées en opposition de phase deux à deux pour mettre en mouvement linéaire alternatif au moins une pièce mobile (35,38,39), le couplage ou transmission du mouvement entre les unités(5) de chaque paire se faisant par l'in- termédiaire d'un tampon hydraulique(2). 2/ Ensemble de conversion selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque piston moteur(6) est prolongé par une tige (18) porteuse en bout d'un piston transmetteur(25) balayant un cy- lindre de transmission(26) de diamètre inférieur à celui du cylin- dre moteur(7), les cylindres de transmission(26) des unités motrices (5) de chaque paire étant reliés entre eux par un conduit(28) con- tenant un fluide hydraulique. 3/ Ensemble de conversion selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'entre les pistons moteur(6) et transmetteur(25) de cha- que unité motrice(5), la tige (18) porte un piston de pompage(17) balayant un cylindre de pompage(15) de diamètre supérieur à celui du cylindre moteur(7) et définissant dans ce cylindre de pompage (15) une chambre d'aspiration-compression(19) et une chambre de travail(31). 4/ Ensemble de conversion selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la chambre d'aspiration-compression(19) associée à cha- que unité motrice(5) est pourvue d'un conduit d'admission d'air frais(21) et alimente en air comprimé par un conduit de transfert (22) la chambre(il) de combustion de l'autre unité motrice(5) celle- ci étant du type à combustion interne. 5/ Ensemble de conversion selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le cylindre moteur(7) présente du côté opposé à la chambre de combustion(11) par rapport au piston moteur(6) et au voisi- nage du point mort bas de celui-ci,au moins un orifice(14) de mise à l'air libre assurant une circulation d'air frais entre le cylindre moteur(7) et le cylindre de pompage(15). 6/ Ensemble de conversion selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le conduit(28) contenant un flui- de hydraulique comporte une partie cylindrique dans laquelle se meut à la manière d'un piston libre un noyau magnétique(29) coopérant avec au moins un enroulement électrique(30) disposé autour du conduit(28) pour produire un courant alternatif d'alimentation de divers acces- soires(8,9,10) des unités motrices(5) et/ou pour servir de démarreur aux unités motrices(5). 7/ Ensemble de conversion selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que les chambres de travail(31) d'au moins une paire d'unités motrices(5) sont remplies par un fluide hy- draulique et reliées entre elles par au moins un conduit cylindrique (34) dans lequel se meut un noyau magnétique(35) constituant un piston libre et coopérant avec au moins un enroulement électrique(36) dispo- sé autour du conduit(34) pour constituer un alternateur(3). 8/ Ensemble de conversion selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait que les chambres de travail(31) d'au moins une paire d'unités motrices(5) sont pourvues d'au moins deux ouvertures(32) équipées respectivement d'un clapet ou soupape d'ad- mission(38) et d'un clapet ou soupape (39) d'échappement pour fonc- tionner en pompe ou en compresseur. 9/ Ensemble de conversion selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé par le fait qu'au fond de chaque chambre d'aspira- tion-compression(19) est disposée une lame élastique arquée(40) dont une extrémité est articulée sur le bloc du cylindre de pompage(15) et l'autre articulée sur un piston(42) mobile dans un alésage(43), les alésages(43) des unités motrices(5) de chaque paire étant reliés par une conduite(44) remplie d'un fluide hydraulique et présentant un é- tranglement(45), la lame(40) coopérant avec le piston de pompage(I7) pour freiner les masses mobiles(6,18,17,25) en fin de course. I0/ Ensemble de conversion selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs paires d'uni- tés motrices(5), la chambre de travail(31) d'au moins une unité mo- trice(5) de chaque paire étant reliée à la chambre de travail(31) d'au moins une unité(5) de chaque autre paire soit par au moins un dispositif de transmission hydraulique(2) soit par au moins un dispo- sitif de conversion de l'énergie(3).