Brevet FR2587062A1 — publié le 19870313

Installation de production d'énergie à plusieurs cylin- dres moteurs à cycle Diesel suralimentés par compres- seurs alternatifs L'invention concerne les installations de pro- duction d'énergie comprenant au moins un moteur Diesel à plusieurs cylindres suralimenté par plusieurs cylindres compresseurs alternatifs fournissant l'air de balayage au moteur. Les moteurs Diesel sont généralement suralimen- tés par un compresseur rotatif ou un compresseur alter- natif dont les cylindres fonctionnent de façon décalée et qui débouchent dans un même collecteur. En consé- quence, le balayage des cylindres moteurs s'effectue à pression d'admission sensiblement constante. Une étude thermodynamique des phénomènes qui interviennent au cours du balayage montre que le travail de compression avec transvasement dépend directement de la différence entre la pression moyenne d'admission de l'air de balayage et la pression d'échappement. L'invention vise notamment à fournir une installation dans laquelle ce travail est notablement réduit. Dans ce but, elle pro- pose une installation caractérisée en ce que chaque cylindre moteur est alimenté en air de balayage par un cylindre compresseur, dont la course de refoulement intervient alors que les lumières de balayage du moteur sont fermées, par l'intermédiaire d'une capacité d'ad- mission dont le volume est égal à plusieurs fois, typi- quement environ cinq fois, la cylindrée. Grâce à cette disposition, le balayage s'effec- tue à pression d'admission progressivement décroissante, ce qui réduit le travail effectué. Le gain ainsi obtenu peut être encore accru en prévoyant les conduits - d'échappement du cylindre moteur avec une section cons- tante près des lumières,- puis une section lentement -*,_ croissante, ce qui permet de provoquer une chute rapide: i: de la pression dans le cylindre moteur, d'abord jusqu'à une valeur de l'ordre de 1,5 Pe (Pe étant la pression qui règne dans une capacité d'échappement), puis jusqu'à une valeur inférieure à la pression qui règne dans la capacité d'échappement, du fait de la création d'une onde de dépression. La dépression dans le cylindre peut subsister jusqu'à retour du piston jusqu'à fermeture des lumières d'admission. L'invention trouve une application particulière- ment importante dans les installations comprenant un générateur de gaz à pistons libres du type multi-tandem, associé à une turbine à gaz. Le générateur comprend des cylindres moteurs fonctionnant suivant un cycle Diesel, appartenant à deux groupes fonctionnant en opposition de phase, et des cylindres compresseurs également répartis en deux groupes. On a déjà proposé (EP-A-7874) de spé- cialiser les compresseurs de façon que certains cylin- dres compresseurs fournissent un flux primaire alimen- tant les moteurs et d'autres un flux secondaire alimen- tant une turbine à gaz en même temps que les gaz d'échappement des cylindres moteurs. Cette solution présente de nombreux avantages sur celles adoptées anté- rieurement lorsqu'une fraction importante du débit d'air fourni par les compresseurs est utilisée pour le bala- yage des moteurs. Mais cet intérêt s'atténue au fur à mesure que l'on utilise une fraction plus importante du débit pour alimenter directement la turbine à gaz. Il devient alors, plus intéressant d'adopter la solution suivant l'invention définie ci-dessus, ce qui est d'au- tant plus facile que l'on peut affecter une chambre de compression à chaque cylindre moteur. En particulier, il est possible d'alimenter chaque cylindre moteur, délimi- té par deux pistons moteurs, à partir d'un seul compar- timent de compresseur, choisi de façon que la course de refoulement coincide avec le moment o les lumières du moteur correspondant sont fermées. Les dispositions ci-dessus définies permettent de diminuer notablement le travail des gaz à l'échapp- ement. Elles peuvent être mises en oeuvre sur un cylindre moteur comportant des lumières de balayage de type classique. On sait que, suivant que les lumières de balayage sont dessinées de façon à fournir un jet d'air radial ou un jet d'air présentant une composante tan- gentielle, l'écoulement lors de la première phase du balayage s'effectue suivant un régime différent. Dans le premier cas, l'écoulement d'air frais de balayage se fait sous forme d'un jet central, entouré d'un sillage annulaire de gaz de combustion chauds. Cette solution a l'avantage de garantir un balayage efficace. Mais il n'y a pas de mouvement de rotation des gaz frais dans le moteur. Au contraire, lorsque les lumières d'échappement sont inclinées, l'air frais se répartit suivant une nappe annulaire stable, en rotation, entourant un noyau de gaz chauds: le mouvement de rotation subsiste lors du début de la combustion et est favorable à cette der- nière. Mais en contrepartie, le balayage n'intéresse plus la partie centrale du cylindre et il est peu effi- cace. L'invention vise également à fournir une instal- lation dont les moyens de balayage permettent d'obtenir les effets favorables du mouvement rotatoire tout en assurant un balayage intéressant l'ensemble du cylindre moteur. Dans ce but, l'invention propose notamment une installation dont chaque cylindre moteur comporte des lumières de balayage réparties régulièrement autour du cylindre à une extrémité de celui-ci et des moyens d'échappement, tels que des lumières, également répartis régulièrement à l'autre extrémité du cylindre délimité par deux pistons se déplaçant en sens inverse, lesdites lumières de balayage étant réparties en deux rangées successivement découvertes, les lumières de la rangée découverte en premier étant disposées de façon à fournit un jet ayant une composante tangentielle tandis que les lumières découvertes en second sont prévues pour fournir un jet dirigé sensiblement vers l'axe. Les deux rangées sont alimentées par une même capacité d'admission, mais des moyens sont avantageu- sement prévus pour retarder l'arrivée d'air de balayage aux lumières de la première rangée. Ce résultat peut notamment être atteint en prévoyant un trajet sinueux ou une capacité secondaire entre une capacité d'admission principale (qui alimente directement les lumières du second jeu) et les lumières du premier jeu. Dans ces conditions, la première rangée de lumières, fournissant un jet orienté par exemple à 30' par rapport à la direction radiale, établit un-écoule- ment de type annulaire périphérique animé d'une vitesse de rotation importante. La seconde rangée provoque l'apparition d'un jet central sans rotation assurant un balayage efficace. Au cours du balayage et de la com- pression ultérieure, il y a entraînement progressif du noyau central de gaz frais par l'écoulement périphérique en rotation, ce qui permet d'arriver finalement à une masse d'air en rotation en bloc à une vitesse plus réduite que dans les moteurs antérieurs, mais conservant l'effet favorable recherché sur la combustion. Par ailleurs, lorsque deux rangées de lumières de balayage sont prévues, il est avantageux de disposer des moyens retardant, et éventuellement ralentissant, l'arrivée d'air frais par les lumières de la première rangée, on peut ainsi donner au front d'air frais qui se propage le long du cylindre vers les lumières d'échap- pement, une allure se rapprochant davantage d'un front perpendiculaire à l'axe. Dans une installation à générateur de gaz multi- tandem, on a jusqu'à présent affecté chaque cylindre compresseur, ou du moins chaque chambre de compression, à un flux déterminé. Par exemple, dans le document EP-A-7874 déjà cité, certains cylindres compresseurs fournissent un flux d'air primaire destiné au moteur, tandis que d'autres fournissent le flux d'air secondaire destiné à la turbine. Mais, dans ces conditions, le rapport de balayage (c'est-à-dire le rapport entre la quantité d'air qui traverse les moteurs et la cylindrée de ces moteurs) est fixé ou, du moins, ne peut être modifié que par échelons importants. L'invention vise encore à fournir des moyens d'adaptation plus précise du rapport de balayage aux besoins de balayages du genre ci-dessus défini. Dans ce but, l'invention propose en- core d'affecter certains des compresseurs de l'instal- lation à un seul flux et d'autres cylindres à deux flux, en prévoyant des clapets de refoulement débouchant dans deux collecteurs distincts affectés, l'un au flux pri- maire, l'autre au flux secondaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exé- cution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - les Figures 1, 2 et 3 sont des schémas mon- trant, à divers stades du cycle de fonctionnement, la disposition des composants d'un cylindre moteur et d'un cylindre compresseur d'une installation suivant un mode de réalisation de l'invention, - la Figure 4 est un schéma, en coupe suivant un plan passant par l'axe longitudinal d'un cylindre mo- teur, montrant la modification du front de propagation des gaz de balayage obtenue grâce à l'invention, - la Figure 5 est un schéma à grande'échelle, en coupe suivant un plan passant par l'axe d'un cylindre moteur, montrant une disposition possible des lumières de balayage, - les Figures 6 et 7 montrent l'orientation des lumières de balayage des deux rangées illustrées en Figure 5, - la Figure 8 est un schéma montrant la propa- gation des fronts de balayage dans un cylindre moteur équipé de lumières du type montré en Figures 5 à 7, - la Figure 9 est un schéma de principe montrant deux des compresseurs d'une installation à générateur de gaz à pistons libres, l'un des deux cylindres compres-. seurs étant mixte en ce sens qu'il est affecté, d'une part, au circuit d'air primaire, d'autre part, au cir- cuit d'air secondaire. On décrira tout d'abord, en faisant référence aux Figures 1 à 3, un cycle de fonctionnement d'un en- semble comprenant uniquement un cylindre moteur 10 et un cylindre compresseur 12 d'un générateur de gaz à pistons libres pouvant avoir la constitution générale décrite dans le document EP-A-7874 déjà mentionné. Le cylindre compresseur 12 contient un piston 14 séparant un compar- timent de compression 16 affecté au flux primaire et un compartiment 18 affecté au flux secondaire et alimentant directement une turbine à gaz non représentée. Le com- partiment 16 est muni de clapets 20 d'admission d'air frais et de clapets 22 de refoulement vers une capacité d'admission 24. Le piston 14 est mécaniquement couplé à un piston moteur 26 délimitant, avec un piston symé- trique 28, un compartiment moteur 30 qui, dans la posi- tion d'écartement maximal des pistons 26 et 28, présente un volume égal à environ un cinquième du volume de la capacité 24. Le piston 26 coopère avec des lumières de balayage 32 tandis que le piston 28 coopère avec des lumières d'échappement 34 débouchant dans une pipe 36 arihnt&ant- une capacité d'échappement 38 reliée à une turbine haute pression (non représentée). La Figure 1 montre en traits pleins la position de l'équipage mobile comprenant les pistons 14, 26 et 28 à l'instant d'ouverture des lumières d'échappement 34, 2587l62 c'est-à-dire au moment o se produit la bouffée d'échap- pement. Etant donné la différence d'emplacement des lumières 32 et 34, les lumières de balayage sont encore fermées. Les pistons moteurs s'éloignent l'un de l'autre. La chambre de compression 16 est en aspiration, le piston 14 s'éloignant de la plaque qui porte les clapets 20 et 22. Dans la capacité d'admission règne une pression Pc, alors que la pression dans le compartiment compresseur 16 est sensiblement égale à la pression d'admission Pa. La pression qui règne dans le cylindre moteur 30 est sensiblement égale à 3Pi. Moyennant un dessin approprié des lumières d'échappement 34 et de leur raccordement avec la pipe 36, la pression totale à l'entrée des pipes augmente alors rapidement et atteint une valeur d'environ 1,5 Pe. Les pistons moteurs découvrent ensuite les lumières de balayage 32, comme indiqué en tirets sur la Figure 1. La capacité d'admission 24 est alors en liaison avec le cylindre moteur 30. Dès que la bouffée d'échappement a fait retomber la pression qui règne dans le moteur au-dessous de Pc, la capacité d'admission 24 commence à se décharger dans le moteur pour le balayer (flèche en tirets sur la Figure 1). Ce processus de balayage se poursuit jusqu'à ce que les équipages mobiles aient atteint leur maximum de course, c'est-à-dire le point mort extérieur, comme indiqué en trait plein sur la Figure 2. Le mouvement des équipages mobiles s'inverse, comme indiqué par les flèches f. Le balayage du moteur se poursuit comme indi- qué par les flèches F. La capacité d'admission 24 est toujours en communication avec le moteur et isolée du compresseur. La phase de compression dans le moteur et de re- foulement du compresseur 12 vers la capacité d'admission 24 commence alors. Au cours du mouvement de rapproche- ment des pistons moteurs 26 et 28 (en tirets sur la Z387062 Figure 2), les pistons 26 et 28 ferment successivement les lumières de balayage 32 puis les lumières d'échap- pement 34, isolant le moteur de la capacité d'admission. Le compresseur 12 charge pendant ce temps la capacité d'admission dont la pression remonte. Lorsque les pistons moteurs arrivent au point mort intérieur, leur mouvement commence à s'inverser, le combustible est injecté dans le moteur et la combustion commence. Enfin, la détente du moteur a lieu en même temps que celle de l'espace mort du compresseur tandis que la capacité d'admission 24 se trouve en attente de décharge (Figure 3) et le cycle reprend. Que le balayage s'effectue à pression d'admis- sion constante ou à pression variable, l'utilisation d'une disposition traditionnelle des lumières laisse subsister les inconvénients déjà signalés, à savoir le caractère incomplet du balayage en cas d'injection d'un jet tangentiel, l'absence de mouvement rotatoire favo- table à la combustion en cas de jets radiaux. On pourrait penser qu'il est possible d'écarter la difficulté en donnant aux lumières de balayage une forme vrillée, de sorte que l'injection s'effectue avec une composante tangentielle dans la partie des lumières les plus proches du plan médian, radialement dans la partie la plus éloignée du plan médian. Mais, indépen- damment des difficultés de réalisation de telles lu- mières, un problème supplémentaire subsiste, dû à la différence de parcours des différents filets d'air. Cette différence de parcours fait que, lorsque le front d'air frais atteint les lumières de balayage, il pré- sente une forme du genre montré en trait plein sur la Figure 4, laissant subsister un noyau de gaz brûlés qui risque de se trouver piégé dans le cylindre. On décrira maintenant un système de balayage à deux rangées de lumières, permettant dans tous les cas d'associer les avantages du balayage radial au balayage rotatif et permettant par ailleurs, au prix d'aménage- ments simples, de modifier le front d'écoulement de façon à lui donner une allure du genre illustré en tirets sur la Figure 4. La Figure 5, sur laquelle les éléments corres- pondant à ceux de la Figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, montre une capacité d'admission 24 ménagée dans le carter du cylindre 30 et communiquant directement avec une rangée de lumières d'admission 322 qui débouchent radialement dans le cylindre (Figure 6). Une autre rangée de lumières 321, placées de façon à être découvertes les premières par le piston 26 lors de la course de détente, sont au contraire orientées obli- quement, avec un angle par rapport au plan radial qui sera généralement d'environ 30 (Figure 7). Pour réduire l'avance relative des filets fluides provenant des lumières 321, la disposition mon- trée en Figure 5 agit sur deux facteurs. D'une part, elle tend à diminuer la pression totale des filets fluides périphériques, fournis par les lumières 321, en diminuant leur vitesse. D'autre part, elle retarde l'ap- parition de l'écoulement effectif à travers ces lumières 321. Ces deux résultats sont atteints en disposant, entre la capacité d'admission 24 et les lumières 321, une conduite 40 en chicanes, de faible volume mais de longueur très supérieure à l'intervalle axial entre les rangées 321 et 322. Cette conduite déphase l'écoulement et provoque une perte de charge qui réduit la pression totale d'alimentation. Gràce à cette disposition, il se'produit, à l'ouverture des lumières 321, un léger refoulement du moteur vers l'admission. Les mélanges entre air froid de balayage et gaz brûlés sont limités au cours de ce re- foulement par le grand allongement relatif de la con- duite 40. 25870.62 Les dimensions de la conduite 40 dépendront des paramètres de chaque installation particulière. Mais elles obéiront aux règles suivantes: - la longueur de la conduite 40 est déterminée pour que la différence entre la pression dans la capa- cité d'admission 24 et la pression dans le moteur ait changé de signe quand l'onde de détente due à la réflexion de l'onde de compression à l'extrémité de la conduite 40 arrive aux lumières 321, ce qui limite le débit refoulé, - la durée d'aller-retour des ondes doit être telle que le piston 26 ait découvert toute la longueur des lumières 321 à l'instant de retour, - le début d'ouverture des lumières 322 doit intervenir lorsque la masse de gaz admise dans le moteur par les lumières 321 est du même ordre de grandeur que la masse initialement refoulée du moteur vers la conduite 40. La présence des deux rangées de lumières et de la conduite 40 apporte d'autres résultats favorables. En particulier, du fait qu'on accepte un refoulement ini- tial des gaz, la longueur totale des lumières de ba- layage et d'admission 321-322 peut être accrue de 30% environ pour la même cylindrée utile. Le déphasage de l'écoulement par les lumières 321 aplatit la pointe du front d'air frais périphérique. Pour ralentir ce front périphérique, on utilise les pertes de charge dans la conduite 40. Dans la pra- tique, on utilisera une perte de charge du même ordre que celle provoquée par les lumières 321, ce qui réduit la vitesse à la traversée des lumières dans un rapport qui correspond approximativement à celui des distances parcourues par les filets d'air périphériques et proches de l'axe. La Figure 8 montre les résultats d'une simula- tion effectuée pour déterminer les fronts d'envahisse- ment du cylindre 30 par l'air frais lorsque les lumières 1 1 sont du genre montré en Figure 5. Les courbes identi- fiées par les références 1, 2, 3, 4 et 5 montrent les fronts respectivement 2 ms, 6 ms, 10 ms, 16 ms et 20 ms après le début d'ouverture de la seconde rangée de lumières. Pour retarder l'alimentation des lumières 321, d'autres solutions sont possibles, notamment l'utili- sation de clapets à ouverture commandée retardée ou des clapets tarés à ouverture automatique interposés entre la capacité d'admission et les lumières 321 du premier jeu. On décrira maintenant, en faisant référence à la Figure 9, une disposition permettant de mieux ajuster le débit d'air de balayage adressé aux cylindres moteurs, dans un générateur de gaz pouvant avoir la constitution générale montrée dans le document EP-A-7874 déjà men- tionné. La Figure 9 montre deux compresseurs seulement parmi les huit que comporte un tel générateur. Le com- presseur 42 est destiné à fournir uniquement de l'air au circuit secondaire, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 44 destiné à le réchauffer. L'air ayant tra- versé l'échangeur 44 est envoyé à une turbine à gaz haute pression 46. Au moins un autre cylindre compresseur 12, ou au moins l'autre compartiment délimité par le piston com- presseur 14 dans le cylindre 12, est mixte en ce sens qu'il fournit de l'air au circuit primaire, qui comprend un refroidisseur 48 et débouche dans un cylindre moteur , et au circuit secondaire. Pour cela, le collecteur de refoulement 50 du cylindre 12 est séparé par une cloison 52 en deux chambres. Dans chaque chambre s'ouvrent plusieurs des clapets de refoulement 22 du compresseur. Etant donné que le nombre de ces clapets est élevé, souvent compris entre dix et vingt, on dis- pose ainsi d'un mode d'ajustement extrêmement souple. La solution montrée en Figure 9 permet par ailleurs de plus grande et secondaire disposer d'une latitude de choix beaucoup entre le rapport des débits d'air primaire fournis par l'ensemble des compresseurs. REVENDICATIONS 1. Installation de production de l'énergie com- prenant au moins un moteur Diesel à plusieurs cylindres suralimenté par plusieurs cylindres compresseurs alter- natifs fournissant l'air de balayage au moteur, carac- térisée en ce que chaque cylindre moteur (10) est alimenté en air de balayage par un cylindre compresseur (12) dont la course de refoulement intervient alors que les lumières de balayage (132) du moteur sont fermées, par l'intermédiaire d'une capacité d'admission (24) dont le volume est égal à plusieurs fois la cylindrée. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le volume de la capacité d'ad- mission est d'environ cinq fois la cylindrée. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les conduits d'échappement du cy- lindre moteur, placés à l'opposé des lumières d'admis- sion dans le cylindre moteur, présentent une section constante près des lumières d'échappement, puis une section lentement croissante pour provoquer une chute rapide de la pression dans le cylindre moteur dès ouverture des lumières d'échappement. 4. Installation selon la revendication 1, 2 ou 3, du type comprenant un générateur de gaz à pistons libres multi-tandem équipé desdits cylindres moteurs et une turbine à gaz recevant les gaz d'échappement des cylindres moteurs, caractérisée en ce que chaque cy- lindre moteur, délimité par deux pistons moteurs, est alimenté à partir d'un compartiment de compresseur entraîné par l'un des pistons du cylindre, choisi de façon que la course de refoulement du compresseur coin- cide avec le moment o les lumières du moteur corres- pondant sont fermées. 5. Installation selon la revendication 4, dont chaque cylindre moteur comporte des lumières de balayage ou soupapes réparties régulièrement autour du cylindre à une extrémité de celui-ci et des moyens d'échappement, tels que des lumières, également répartis régulièrement à l'autre extrémité du cylindre délimité par deux pis- tons se déplaçant en sens inverse, caractérisée en ce que les lumières de balayage sont réparties en deux rangées successivement découvertes. 6. Installation selon la revendication 5, carac- térisée en ce que les lumières (321) de la rangée décou- vertes en premier sont disposées de façon à fournir un jet ayant une composante tangentielle tandis que les lumières découvertes en second sont prévues pour fournir un jet dirigé sensiblement vers l'axe. 7. Installation selon la revendication 6, carac- térisée en ce que les lumières de la première rangée fournissent un jet faisant un angle d'environ 30' avec la direction radiale. 8. Installation selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que les deux rangées sont alimentées par une même capacité d'admission, des moyens étant prévus pour retarder l'arrivée d'air de balayage aux lumières de la première rangée. 9. Installation selon la revendication 8, ca- ractérisée en ce que lesdits moyens sont constitués par une conduite de trajet sinueux entre la capacité d'ad- mission et les lumières (321) du premier jeu. 10. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent des clapets à ouverture commandée retardée ou des clapets tarés à ouverture automatique interposés entre la capacité d'admission et les lumières (321) du premier jeu. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'un au moins des cylindres compresseurs (12) comporte un collecteur de refoulement (50) séparé en deux chambres relies chacune au cylindre par des clapets de refou- lement (22) et en ce que l'une des chambres alimente les cylindres moteurs (30) tandis que l'autre chambre ali- mente une turbine à gaz haute pression (46).