Brevet FR2501297A1 — publié le 19820910

La présente invention concerne les moteurs à combustion in- terne. Les moteurs à combustion interne ont atteint un très haut degré de perfectionnement, mais ils présentent encore de nombreux défauts : les moteurs à explosion ont un rendement médiocre ; les moteurs Diesel ont un très bon rendement mais leur puissance massique est faible et le coût de leur construction demeure élevé les moteurs à pistons libres ont un rendement exceptionnel mais la complexité de leur structure, leur manque de fiabilité, et les difficultés rencontrées dans leur utilisation ne leur ont pas permis d'atteindre le développement que l'on pouvait espérer. Actuellement, aucun moteur à combustion interne n'est parvenu à concilier les trois impératifs fondamentaux que sont un bon rendement, une forte puissance massique et un faible coût de construction. La présente invention vise à obtenir un moteur à combustion interne possédant les trois qualités précédentes. Dans le moteur à combustion interne, objet de la présente invention, le classique embiellage des moteurs traditionnels est remplacé par une pompe à pistons à haute pression (P) qui alimente, par l'intermédiaire d'une simple tuyauterie, l'injecteur d'une turbine Pelton. Cette pompe (P) est actionnée directement par un moteur à pistons libres comportant deux pistons opposés avec matelas. Ce moteur est un Diesel à deux temps dont le balayage est assuré par prélèvement d'une partie de l'air des matelas (à l'aide de soupapes commandées). La pompe (P) ne débite que pendant la phase de retour des pistons libres vers leur point mort intérieur. Au cours de chaque cycle la pression de refoulement de la pompe (P) est maintenue constante par un dispositif approprié qui agit sur l'ouverture de l'injecteur de la turbine (condition essentielle pour un bon rendement de cette dernière). La valeur de la pression de refoulement est choisie, à chaque point mort extérieur, par un calculateur électronique de façon que le taux de compression du moteur à combustion interne ait toujours une valeur optimum. Le démarrage du moteur à pistons libres est obtenu par introduction, dans le corps de la pompe (P), d'une petite quantité de liquide contenue dans un accumulateur hydropneumatique à très haute pression. Le dessin annexé illustre, à titre d t exemple, un mode de réalisation d'un moteur conforme à la présente invention. La figure 1 est un schéma montrant la disposition générale du moteur. La figure 2 est une vue en coupe de l'injecteur de la turbine Pelton. Le moteur à pistons libres est un générateur de Pescara qui, essentiellement, a reçu les deux modifications suivantes 1. Les compresseurs ont été supprimés et remplacés par deux pompes à pistons à haute pression 1, qui sont disposées symétriquement par rapport à l'axe de la machine et qui alimentent par une tuyauterie commune 2 l'injecteur 3 de la turbine Pelton 4 elles sont munies d'un dispositif d'alimentation approprié (non dessiné) destiné à prévenir l'apparition du phénomène de cavitation. Le liquide utilisé (eau, huile très fluide, etc) peut évoluer en circuit ouvert ou fermé ; dans ce dernier cas, il est nécessaire de prévoir un dispositif de refroidissement. 2. Le cylindre moteur 5 est alimenté en air frais à partir des matelas 6 ; l'air de l'atmosphère peut pénétrer dans les matelas par les orifices 7 munis de clapets interdisant le retour vers l'atmosphère, puis, de là, dans le réservoir de balayage 8 par les orifices 9 munis de clapets dont l'ouverture est commandée par les électro-aimants 10. Le petit tube 11 assure une parfaite égalité des pressions dans les deux matelas. Les clapets 12 permettent le passage de l'air du carter 13 vers l'atmosphère, mais non dans l'autre sens. Le pointeau 14 de l'injecteur de la turbine Pelton est monté sur un piston 15, dont la section est nettement supérieure à celle de l'orifice de l'injecteur, et qui est soumis aux actions antagonistes de deux forces F et F' : la force F, qui tend fermer l'injecteur, est constante mais sa valeur peut être modifiée à tout Instant ; la force -', qui tend à ouvrir l'inJ=ct2uI, est provoquée par la pression qui règne dans la cavité annulaire 15 dans laquelle débitent les pompes 1. Quand ces dernières débitent, on a constamment F = F' (avec une bonne précision si l'inertie du système mobile 14-15 est faible et si la section du piston 15 est grande) ; les pompes 1 débitent ainsi sous une pression sensiblement constante qui est, en première approximation, proportionneiie à la force F.La force F est la résultante des forces exercées par les pistons 17 ; chacun des pistons 17 peut être soumis soit à l'action de la pression très élevée qui règne dans l'accumulateur hydropneumatique 18 quand le tiroir 19 n'est soumis qu'à l'action du ressort de rappel 20, soit à aucune force quand l'électro- aimant 21 attire le tiroir t9 (la cavité 22 communique avec un réservoir à la pression atmosphérique). Le r8le des ressorts 23 est de maintenir constamment les pistons 17 en contact avec le piston 15. Pour un bon fonctionnement du moteur, il est indispensable que les tiroirs 19 puissent entre déplacés très rapidement.Les sections des n pistons 17 forment une suite géométrique de raison deux, de sorte qu'en utilisant les règles de la numération binaire et en jouant sur l'alimentation des électro-aimants 21 on peut choisir la pression de refoulement des pompes 1 dans n une gamme de 2 valeurs qui forment une suite arithmétique (la valeur n = 6 est largement suffisante). Pour réduire les frottements chacun des pistons 17 est dédoublé en une paire de pistons disposés symétriquement par rapport à l'axe du piston 15. Un calculateur électronique 24 dont les fonctions seront précisées ci-dessous, est tenu informé à chaque instant, à l'aide de dispositifs appropriés, de la valeur des paramètres suivants pression atmosphérique, pression dans les matelas, pression dans le carter, pression dans le réservoir de balayage, température ambiante, température du cylindre moteur, position et vitesse des pistons moteurs ( & partir de leur dispositif de synchronisation, non dessiné), température (donc pression) de l'accumulateur hydropneumatique 18. Fonctionnement - Quand la combustion vient de se produire dans le cylindre moteur 5, les pistons moteurs sont situés au voisinage du point mort intérieur, les pressions dans les matelas et dans le carter sont voisines de la pression atmosphérique, les électro-aimants 10 maintiennent les orifices 9 ouverts, et le pointeau 14 ferme complètement l'injecteur de la turbine Pelton (il restera dans cette position jusqu'à ce que les pistons moteurs aient atteint leur point mort extérieur). Sous l'action de la pression élevée des gaz de la combustion les pistons moteurs sont vivement repoussés vers l'extérieur, les pompes 1 se remplissent et de l'air est introduit dans le réservoir de balayage B ; quand la pression dans ce dernier est suffisante, le calculateur électronique 24 commande la fermeture des orifices 9.Ensuite, les lumières du cylindre moteur sont découvertes et le balayage du cylindre moteur par l'air contenu dans le réservoir 8 commence. Les pistons moteurs continuent leur course vers l'extérieur, compriment de plus en plus l'air contenu dans les matelas et finissent par atteindre leur point mort extérieur. A ce moment-là, le calculateur électronique détermine, en fcnction des différents paramètres qui lui sont communiqués, l'énergie qui va être fournie aux pistons moteurs pendant leur retour vers le point mort inté- rieur, ainsi que l'énergie nécessaire à la compression, à un taux optimum, de I1 air contenu dans le cylindre moteur 3 il en déduit, en tenant compte des différentes pertes, lténergie qui doit être absorbée par les pompes, donc la valeur de la pression constante qui doit régner dans la tuauterie 2 pendant le retour des pistons moteurs vers leur point mort intérieur, et il agit en conséquence sur l'-alimentation des électro-aimants 21. Sous l'action de l'air comprimé des matelas et de la dépression qui règne dans le carter, les pistons -moteurs sont renvoyés vers le point mort intérieur. Vers la fin de la course retour, de l'air frais pénétre dans les matelas par les orifices 7 et les orifices 9 sont ouverts. Les pistons moteurs finissent par atteindre le point mort intérieur prévu et un nouveau cycle peut commencer. Mais, pour que le fonctionnement du moteur soit d'une fiabilité absolue, il est indispensable que le taux de compression de l'air dans le cylindre moteur ne descende jamais en dessous d'un certain minimum.Or le calcul montre qu'une petite erreur dans la détermination de la pression de refoulement provoque une variation Importante du taux de compression. il est donc prudent de prévoir des contrôles : en plusieurs points de la course de retour des pistons moteurs vers le point mort intérieur, le calculateur électronique détermine (comme il l'a fait au point mort extérieur, mais en tenant compte en plus de l'énergie cinétique des pistons) la pression qui doit régner dans la cavité 16 pendant la fin de ia course retour, et ii modifie éventuellement l'alimentation des électro-aimants 2t (la pression de refoulement n'est donc pas rigoureusement constante, mais ceci n'a pratiquement aucune incidence sur le rendement de la turbine). Démarrage - La tuyauterie 2 peut communiquer avec un accumulateur hydropneumatique à très haute pression 25 par un orifice que peut obturer la bille 26 ; la pression dans l'accumulateur 25 est très supérieure à la pression maximum de refoulement des pompes 1 (par exemple 180 kg/cm2 pour un maximum de pression de refoulement de 120 kg/cm2). L'accumulateur 25 ayant été chargé (éventuellement à l'aide d'une petite pompe actionnée par un moteur électrique) et l'injecteur 3 étant maintenu fermé (électroaimants 21 non excités,même pression dans les accumulateurs 18 et 25, mais section totale des pistons 17 suffisante), il suffit de faire soulever la bille 26 par un dispositif approprié pour que les pistons moteurs soient repoussés vers l'extérieur Et qu'un premier cycle puisse commencer. Arrêt - Pour arrêter la machine on a intérêt à faire exécuter le programme suivant : réaliser une combustion à pleine charge pour que les pistons moteurs compriment suffisamment l'air des matelas ; maintenir le pointeau t4 fermé au début de la course retour (comme pour un démarrage) : l'accumulateur 25 se recharge quand cette opération est terminée, choisir la pression convenable dans la cavité 16 pour que les pistons moteurs atteignent, rapidement et sans osciller, leur position d'équilibre. Cette façon de procéder offre l'énorme avantage de laisser la machine toujours prête pour un nouveau démarrage. Rendement - On sait que le rendement des turbines Pelton est excellent et dépasse 0,90. Dans le cas présent, à cause du débit intermittent ûe l'injecteur, ie rendement de ia tub ne se s I s probablement aux environs de 0,85. Mais la perte relativement importante d'énergie au niveau de la turbine est largement compensée par le haut rendement du générateur (unicité du cylindre moteur, donc déperdition de chaleur réduite ; taux ce comoression et pression de balayage optima choisis oer e calculateur électo- nique ; frottements très réduits ; matelas travaillant sous pression peu élevée ; auxiliaires peu nombreux). Finalement on oeut penser que le présent moteur a un rendement aussi bon que celui des meilleurs Diesel actuels.Toutefois, il est indispensable que la vitesse périphérique de la turbine ne s'écarte pas trop de la moitié de la vitesse du jet : il est donc nécessaire, en général, d'intercaler une boite de vitesses 27 entre la turbine et la machine entraînée. Mais la commande de cette bolte psut facilement etre automatisée à l'aide du calculateur électronique auquel il suffit de fournir la vitesse de la machine entraînée (il peut déterminer la vitesse du jet). On peut également concevoir l'emploi de deux turbines Pelton de diamètres différents montées sur le même arbre, ce qui permet de supprimer la boîte de vitesses ou tout au moins d'en simplifier énormément la structure. Coût de construction - Pour des conditions de construction comparables, le prix de revient du présent moteur est nettement inférieur à celui d'un Diesel classique de même puissance : pièces peu nombreuses et faciles à usiner ; une seule pompe d'injection ; pas de vilebrequin, pas de distribution compliquée, pas d'embra- yage (remplacé par le déflecteur de la turbine Pelton) ; simplicité du graissage ; possibilité de réaliser les augets de la turbine en matière plastique moulée pour les puissances peu importantes ; prix modique du calculateur électronique. Puissance massique et encombrement - Par suite de l'absence de pièces massives, le présent moteur est plus léger qu'un moteur à essence classique de même puissance. Sa longueur est relativement importante, mais les deux autres dimensions sont très réouites. Le moteur, objet de l'invention, peut être utilisé chaque fois que l'on désire économiser sur le carburant et que la puissance demandée est quelque peu importante ;;a puissance minimum réalisable est directement liée au temps de réponse des tiroirs de distribution 19). Sa légéreté et sa fiabilité permettent d'envisa- ger son emploi sur les avions. Mais c'est dans le domaine de la traction (grosses voitures, camions, autocars, locomotives, etc) qu'il affirmera sa supériorité sur les moteurs actuels, pour les qualités déjà citées, mais aussi pour les raisons suivantes - Caractéristique très favorable du couple moteur de la turbine. - Possibilité de réaliser une économie importante de carburant par arrêt automatique du générateur dès que le conducteur n'exerce plus aucune pression sur l'accélérateur (avec remise en marche automatique dès qu'il recommence à accélérer). - Possibilité de transformer la turbine en frein hydraulique utilisable notamment dans les descentes. - Moteur parfaitement équilibré et peu bruyant (pas de chocs des pistons contre les parois du cylindre moteur). - Moteur plat facile à loger dans un véhicule. - Très grande longévité et entretien réduit. REVENDICATIONS 1. Moteur comportant une turbine Pelton dont l'injecteur est -alimenté par une pompe à pistons actionnée par un moteur Diesel à pistons libres (deux pistons opposés avec matelas) caractérisé par le fait que, à chaque cycle, la pression de refoulement de la pompe est maintenue sensiblement constante par variation de l'ouverture de l'injecteur de la turbine et uniquement par ce moyen. 2. Moteur selon la revendication t, caractérisé par le fait que le pression de refoulement de la pompe est, à tout moment, instantanément réglable. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen utilisé pour régler la pression de refoulement consiste en ce que le pointeau de l'injecteur de la turbine est monté sur un piston soumis aux actions antagonistes de la pression de refoulement et d'une force réglable F. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la force F est la résultante des forces exercées par plusieurs pistons, dont~les sections forment une suite-géométrique de raison deux, et qui peuvent être soumis soit à une pression négligeable p soit à la pression très élevée P d'un accumulateur hydropneumatique. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le choix entre p et P est réalisé par des tiroirs distributeurs commandés par un calculateur électronique. 6. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le balayage du moteur Diesel est obtenu par transfert d'une partie de l'air des matelas dans un réservoir auxiliaire de balayage, le transfert étant réalise à l'aide de soupapes commandées (commande mécanique, hydraulique, électromagnétique, etc). 7. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est possible d'arrêter et de remettre en marche instantanément le moteur à pistons libres. 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le démarreur est constitué essentiellement par un accumulateur hydropneumatique.