Brevet FR2540941A1 — publié le 19840817

De nombreux efforts ont été consacrés ces der- nières années à la recherche d'un accroissement significatif du rendement des moteurs à combustion et notamment de moteurs diesel en vue de réaliser des économies d'énergie. Ces travaux se sont orientés tantôt vers une "adiabatisation" des moteurs par modification radicale de leurs matériaux constitutifs (utilisation de céramiques à haute caractéristiques mécaniques et faible coefficient de dilatation, telles que nitrure et carbure de silicium), tantat vers une récupération a1 énergie thermique par mise en oeuvre d1un circuit à cycle thermodynamique de Rankine ou "Rankinisation" (voir les brevets français 80 i8493 du 26 août 1980 et 81 03451 du 20 février 1981 publiés respectivement sous les numéros 2 489 418 et 2 500 536). la présente invention se propose de réaliser une adiabatisation ne nécessitant pas de nouveaux maté riaux constitutifs --céramiques ou autres-- pour la construction du moteur qui peut demeurer à cet égard tra- ditionnel et au surplus de tirer parti de cette adiaba- tisation pour rendre plus efficace la Rankinisation. On sait que la température d'équilibre dun mo- teur diesel ou i allumage commandé, peu ou pas refroidi9 n'est pas supérieure à 500 C, sauf en certains points situés au niveau de la soupape d'échappement. A cette tem- pérature, les aciers ont encore de bonnes caractéristiques mécaniques et il n'y aurait donc pas eu en principe d'in convénient de fonctionnement majeur à laisser monter la tem pérature du moteur Si une limitation sévère n'était impo- sée du fait de la lubrification réalisée avec les huiles classiques ou mEme améliorées qui ne peuvent guère dépasser, sans risque de décomposition ou d'altération, les 180 à 200 C. Aussi parmi les desiderata des motoristes figure la faculté d'opérer dans la zone des 400-500 C, quitte à ré-optimiser complètement le moteur devant fonctionner à cette température9 notamment au niveau du Joint de cu- lasse, de la suralimentation (restitution du remplissage) de la résistance au cognement, car, non seulement le sys tème de refroidissement serait alors très simplifié, mais surtout l'essentiel de l'énergie de combustion non transformé en travail mécanique serait disponible dans les gaz d'échappements remontant leur température depuis 600 C à l'heure actuelle jusqu'à quelque 1200-1300 C. Ceci permettrait d'accroître de façon très sensible la puissance complémentaire fournie par un système à cycle de Rankine (comme dans les brevets susmentionnés) utilisant la chaleur disponible des gaz d'échappements En effet, celle-ci serait plus importants (60% du total entrant contre 36% actuellement) et se situerait en outre à plus haute température, ce qui permettrait de réduire les échangeurs et d'améliorer le rendement propre de la boucle à cycle de rankine. Aussi le recours au cycle de Rankine travaillant sur les gaz d'échappement d'un moteur adiabatisé apparaît-il comme le seul moyen rationnel deaug- menter fortement le rendement des moteurs à combustion interne. Dans le tableau ci-après relatif à un moteur diesel sont confrontées les incidences de la Rankinisation, de l'adiabatisation et de leur cumul. Il ressort de ce ta- bleau que la combinaison de la Rankinisation et de l'adia- batisation a un effet synergique et apporte plus que cha- cune séparément. POURCENTAGE DE LA PUISSANCE CIRCUIT PERTE A CHAIEUR DE COMBUSTION MECANIQUE DE L'ECHAP REFROIDIS- PEMENT SEMENT Moteur classique 30% 40% 30% Moteur classique + 34% 57% 9% Rankine Moteur adiabatisme 33% i 0% 57% Moteur adiabatisé + 41% 42% 17% Rankine On sait par ailleurs que la lubrification actuelle des moteurs se fait selon un mode hydrodynamique, aussi bien pour les segments d'étanchéité des pistons que pour les paliers de vilebrequin et de bielles. Elle nécessite, à la température de fonctionnement9 une visco- sité suffisamment élevée pour qu'un film d'huile s'inter- pose au niveau des surfaces en contact. Un lubrifiant hy- drodynamique pour moteur adabatisé devrait non seulement ne pas se dégrader trop vite entre 300 et 400 C, mais aussi avoir une viscosité élevée à cette température. A froid, il serait alors pratiquement solide rendant tout démarrage impossible. Ce double problème conduit à rechercher une lubrification par un matériau qui soit à la fois stable à 300-400 C et peu visqueux à température ambiante, pro priétés physico-chimiques qui apparaissent incompatibles si l'on s'en tient aux lubrifiants classiques. En outre, si l'on veut éviter l'arrachement du film d'huile au droit des segments d'étanchéité des pistons, on se trouve contraint de limiter la vitesse maximum de ces derniers. Ces problèmes se trouvent résolus différemment, selon la présente invention, en faisant appel à une lubri- fication non plus fluidodynamique mais fluidostatique et en ayant recours à l'air ou à l'eau pour former un coussin fluide sous pression. En d'autres termes, la segmentation sera, conformément à la présente invention, lubrifies par un coussin d'air ou d'eau intercalé entre le piston et la paroi du cylindre, ce coussin fluide se substituant d'ailleurs au segment d'étanchéité classique à bague frot tante montée autour du piston. On peut de la sorte se dispenser de tout frotteur solide et réduire ainsi les frottements, ce qui permet no- tamment une détente allongée, avantage qui vient s'ajouter à la maximisation du rendement découlant de l'adiabatisa- tion et de la Rankinisation. La présente invention, bien qu'applicable a priori à tout moteur thermique à piston et notamment à tout moteur diesel, parait devoir recevoir dans la pra- tique une application particulièrement intéressante dans le cadre des grands moteurs utilisés soit à bord des navires soit à poste fixe sur terre. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue schématique, partielle- ment en coupe, d'une installation de type hydrostatique faisant appel à de l'eau sous pression, selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 2 est une vue analogue d'une variante de l'invention visant une installation de type pneumostatique faisant appel à de l'air ou autre gaz comprimé. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale a plus grands échelle montrant un détail entouré du cer- cle III sur les figures 1 et 2. La figure 4 en est une vue analogue mais en coupe partielle transversale. Sur les figures 1 et 2 sont désignées par des lettres de référence les pièces appartenant au domaine de la technique antérieure, les chiffres de référence étant réservés aux pièces faisant à proprement parler partie de la présente invention. Sont ainsi représentés sur ces figures un cylindre C de moteur diesel D avec ses soupapes d'admission et d'échappement S et son piston moteur P dont la tige T coopérant avec une coulisse de guidage G est attelée à une bielle B articulée sur la manivelle M de vilebrequin V. Selon l'invention, la segmentation d'étanchéité entre la surface externe- du piston moteur P et la paroi du cylindre C C est assurée au moyen d'un dispositif de seg- ment fluide 1, mieux visible sur les sues agrandies de dé tail des figures 3 et 4. Ce dispositif de segment fluide 1 comporte essentiellement une juxtaposition circulaire de segments élémen Maires 2 qui se succèdent autour de la surface externe lisse du piston moteur P et qui forment un anneau de buses mobiles logées avec guidage radial dans une gorge annulaire 3 creusa sée dans la paroi du cylindre C et prolongée par un col lecteur 4 dans lequel débouchent un ou plusieurs canaux 5 d'alimentation en fluide sous pressions On notera sur la figure 3 que chaque segment élémentaire 2 est étage présentant un gradin intermédiaire épousant le raccorde ment également en gradin de la gorge annulaire 3 avec le collecteur 4. Dans le corps de ce segment étagé 2 est pra tiqué un passage étranglé 6 mettant en communication per manente, avec perte de charge, une capacité postérieure profonde 7 s'ouvrant largement vers le collecteur 4 d'une part et une cuvette antérieure aplatie 8 en regard de la surface externe lisse du piston moteur P dQautre part ; cette cuvette aplatie 8 est délimitée par des protubé- rances terminales i face lisse 9 adjacentes à ladite sur face externe lisse du piston moteur P et définissant avec elle deux passages laminaires- étroits 10 et il de fuites de la cuvette 8 en direction de la chambre de combustion du cylindre C pour ce qui concerne le passage 10 et en direction opposée pour ce qui concerne le passage 11. Le dispositif de segment 1 ainsi conçu est ali menté en fluide sous pression délivre par le le canal d'arri- vée 5 au collecteur 4. Ce fluide sous pression, après perte de charge en 6, forme dans la cuvette 8 un coussin agissant contre la surface externe lisse du piston moteur P et puis fuit en partie par 10 vers la chambre de combustion da cy lindre C et en partie par 11 vers le carter, comme indiqué par les flèches sur la figure 39 La configuration étagée du piston élémentaire 2 (soumis d'une part à la haute pres sion du collecteur 4 s'exerçant sur sa face postérieure mineure et d'autre part à la contre-pression --réduite de la perte de charge en 6-- du coussin -8 59 exerçant sur sa face antérieure majeure) lui confère l'autostabilité propre aux systèmes à coussins de fluide sous pression. Selon une particularité de la présente invention, les segments élémentaires 2 sont associés a un ressort de traction 12 agissant dans le même sens que la contre-pression du coussin 8, c'est-à-dire sollicitant les pistons élémentaires 2 à l'écart de la surface externe lisse du piston moteur Po Ce ressort de traction 12 est avantageusement constitué d'une unique lame élastique fixée de loin en loin, par des agrafes adéquates quelconques 13, alternativement au cylindre C et à chaque piston élémentaire 2. Il permet de dissocier la fonction "raideur" du coussin fluide de la géométrie des pistons élémentaires. La conception générale et le fonctionnement de 'ensemble ainsi réalisé apparaîtront clairement à l'homme de l'art, mais on pourra se reporter utilement à cet égard à la description-du brevet français 73 20489 du 6 Juin 1973 publié sous le No 2 232 961 Le fluide sous pression utilisé dans le cadre de la présente invention peut être liquide ou gazeux (par exemple de l'eau ou de l'air) et, dans le premier cas, il sera avantageusement récupéré après avoir rempli sa fonction de segmentation du piston moteur P, puis recyclé éventuellement après filtrage. La figure 1 montre le circuit annexe dans le cas d'une segmentation hydrostatique utilisant une alimentation du coussin 1 en eau sous pression, cette eau après avoir rempli sa fonction de coussin se vaporisant aux températures élevées qui règnent dans le cylindre C. La partie de l'eau du coussin hydraulique 8 des figures 3 et 4 qui fuit par 10 vers la chambre de com- bustion s'évacuera avec les gaz d'échappement. Par contre la partie de l'eau du coussin hydraulique qui fuit par 11 en direction opposée, sera récupérée et acheminée, par un conduit 14 (figure 1), vers un condenseur 15. Les incondensables étant évacués par 16, l'eau condensée s'accumule dans le bas du condenseur 15 formant réservoir d'eau 17. Une pompe de recyclage 18 renvoie cette eau au collecteur 4 du dispositif de segment fluide 1 , par l'entremise d'un clapet anti-retour 19 et d'un filtre épurateur 209 On peut prévoir un accumulateur de démarrage 21 équipé d'une vanne de décharge 22.Il convient évidemment de fournir un apport d'eau pour compenser les pertes dues à la fuite 10 non récupérée L'écoulement continu de l'eau dans le jeu fonctionnel entre le piston moteur P et le cylindre C produit.un effet de lavage permanent qui contrecarre le dép8t éventuel de minéraux ou d'impuretés et permet dgenm visager 11 emploi de combustibles "sales" tels que le char bon pulvérulent, offrant ainsi la possibilité de réaliser des moteurs diesel à charbon pulvérisé insensibles aux cendres abrasives La variante de réalisation de la figure 2 correspond à un dispositif de segment fluide 1 de type pneumo- statique alimenté par un prélèvement de gaz à haute pres- sion directement sur la chambre de combustion du cylindre C, par une soupape d'échappement spéciale 23. Les gaz ainsi prélevés passent par un échangeur thermique 24, un surpresseur 25, un clapet anti-retour 26 et un filtre 27, avant que la boucle ne se referme sur le canal d'alimen- tation 5 du collecteur 4. On peut prévoir un volume tampon 28 associé à un clapet anti-retour 29. On obtient de la sorte un effet avantageux de sur- alimentation du moteur par les fuites du coussin an direction de la chambre de combustion. En outre le piquage en 23 se fait sur des gaz de combustion qui se trouvent au pic de pression. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution tBéquivalents techniques9 sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de segmentation d'étanchéité du jeu fonctionnel entre la surface externe d'un piston moteur et la paroi d'un cylindre-de moteur thermique, permettant de se dispenser de tout segment frotteur en matériau solide monté autour du piston moteur et lubrifié par une huile, caractérisé en ce qu'on interpose dans le- dit Jeu fonctionnel un coussin de fluide sous pression (8 par exemple de l'eau, de l'air ou des gaz brûlés, ce coussin 68) maintenant par effet fluidostatique ledit piston moteur (P) à l'écart de la paroi dudit cylindre (C) et assurant l'étanchéité dudit jeu fonctionnel vis-à-vis du gaz moteur. 2. Procédé selon la revendication 1 faisant appel à un coussin d'eau à action hydrostatique, carac- térisé en ce qu'on récupère partiellement les fuites dudit coussin (8) par condensation et l'on recycle l'eau ainsi récupérée par pompages avec filtrage éventuel, un apport d'eau venant compenser les fuites non récupérées. 50 Procédé selon la revendication 1 faisant appel à un coussin de gaz à action pneumostatique, carac térisé en ce qu'on prélève du gaz d'échappement à haute pression sur le cylindre (C) du moteur thermique (D) et l'on recycle le gaz ainsi prélevé, après surpression et filtrage éventuel, pour l'alimentation dudit coussin (8). 4. Dispositif de segment fluide pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, carac térisé an ce que la surface externe du piston moteur (P) est lisse et se déplace en regard d'une juxtaposition circulaire de segment élémentaires (2) formant un anneau de buses mobiles logées avec guidage radial dans une gorge annulaire (3) creusée dans la paroi du cylindre (C) et prolongée par un collecteur (4) dans lequel débouchent un ou plusieurs canaux (5) d'alimentation en fluide sous pression. 50 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé an ce que chaque segment élémentaire (2) est étagé, présentant un gradin intermédiaire de sorte que son aire postérieure sur laquelle s'exerce la pression élevée de fluide d'alimentation du collecteur (4) est plus petite que son aire antérieure sur laquelle s'exerce la pression antagoniste moindre du coussin(8). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les segments élémentaires (2) for mant buses mobiles radialement sont associés à un ressort de traction (12) agissant sur eux dans le mme sens que la contre-pression du coussin (8) pour les solliciter à 11 écart de la surface externe lisse du piston moteur (P). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le ressort de traction (12) est constitué d'une unique lame élastique fixes de loin en loin, par des agrafes ou analogues (13), alternativement au cylindre (C) et à chaque segment élémentaire (2). 8. Application du procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 ou du dispositif selon la revendication 4, 5, 6 ou 7 aux grands moteurs diesel marins ou à poste fixe sur terre.