Brevet FR2587063A1 — publié le 19870313

DISPOSITIF A REGENERATION POUR MOTEURS THERMIQUES A 7 EVOLUTIONS ALTERNATIVES. L'invention concerne un dispositif à régénération pour moteurs thermiques à évolutions alternatives ; elle elle concerne plus particulièrement un dispositif du type en question basé sur le principe de la restitution de l'é- nergie thermique perdue, lors de la phase d'échappement, au fluide comprimé lors de son admission dans la chambre à évolutions. Actuellement, les moteurs du type précité sont les plus économiques, cependant que leur bilan thermique reste améliorable. En effet, l'ordre de grandeur à titre indicatif montre que pour cent kilowatts produits, environ vingt trois seulement sont convertis en puissance mécanique, quand sept sont perdus en frottement, trente-cinq sont perdus à l'échappement et trente-cinq au refroidissement des structures. Or le principe de Carnot appliqué aux températures usuelles indique un rendement possible de l'ordre de soixante-quinze pour cent. Diverses solutions ont été proposées. Mais toutes tendent à réduire le poids et l'encombrement au kilowatt produit, bien plus qu'à l'amélioration du rendement thermique. Autrement dit, ces améliorations concernent l'économie en investissement plus que celle faite à l'utilisation, les plus connues de ces ameliorations étant basées sur la suralimentation en air, par exemple du type "turbo". Cette solution connue consiste en une turbine actionnée par les gaz d'échappement, accouplée à un compresseur agissant sur les gaz d'admission. L'invention pallie cet inconvénient en surajoutant au principe de la suralimentation, celui de la récupération motrice d'une part importante des énergies dispersées jusque là en pure perte. Pour ce faire, elle propose un régénérateur destiné à absorber une partie des ca lories contenues dans le gaz d'échappement et à restituer quasi intégralement ces calories aux gaz préalablement comprimés de l'admission. Ce dispositif à régénération pour moteurs thermiques à évolutions alternatives du type à admission comprimée, dit "à suralimentation", comprenant une chambre d'évolutions en pression, volume et température d'un gaz et des organes d'admission et d'échappement de ces gaz, est caractérisé en ce qu'il comporte un régénérateur intercalé sur le passage alterné des gaz entre la chambre d'évolutions et lesdits organes d'admission et d'échappement, ledit régénérateur étant constitué d'un matériau à structure lacunaire, de capacité calorifique importante et présentant un faible hysteresis. Avantageusement et en pratique, l'espace lacunaire dudit matériau régénérateur est réduit au minimum autorisé par une perte de charge admissible et le temps alloué aux échanges thermiques. Ce matériau en lui-même appartenant au groupe constitué à titre non limitatif par la laine d'acier, les fibres et tubes en céramiques techniques, et les tôles en acier réfractaires. Le choix de la nature et de la structure de ce matériau est essentiellement déterminé par l'utilisation finale du moteur, la température à laquelle travaille celui-ci et la fréquence du cycle. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une coupe transversale de la chambre des évolutions d'un moteur thermique à évolutions alternatives conforme à l'invention. La figure 2 est une illustraticn du principe d'un régénérateur. La figure 3 est la représentation schématique d'un cycle de récupération pour turbine à gaz. La figure 4 est la représentation schématique d'un cycle à récupération (par régénérateur) pour moteurs thermiques à évolutions alternatives selon l'invention La figure 5 est une représentation schématique de l'invention accouplée à un générateur à piston libre. Comme on le sait, un moteur thermique est constitué d'un cylindre (1), d'un piston (2), dun système d'admission comprenant essentiellement le conduit d'aspiration (3) et la soupape d'admission (4), d'un système d'échappement comprenant essentiellement le conduit d'échappement (5) et la soupape d'échappement (6), d'un dispositif d'injection (7), et pour les moteurs fonctionnant par auto-allumage, une bougie de démarrage (8). Comme on peut le voir dans la figure l, le dispositif de l'invention consiste - tout d'abord, à faire passer le gaz détendu, mais encore chaud, dans le régénérateur (9) avant son évacuation à l'atmosphère par l'intermédiaire d'une soupape d'échappement (6) et du conduit d'échappement (5), avec une température proche de la température d'admission. - puis, ensuite, et dans le sens opposé, à alimenter la chambre des évolutions (10) avec une masse de gaz à l'état comprimé, provenant du conduit d'admission (3), par l'intermédiaire de la soupape d'admission (4), et traversant le régénérateur dans l'autre sens. Le gaz est ainsi échauffé avant combustion. Celle-ci peut être obtenue par auto-inflammation du mélange combustible, le combustible étant directement injecté par l'injecteur (7) dans la chambre des évolutions (10) . En effet, le mélange est soumis à de très fortes pressions et à des températures élevées, d'où auto-allumage. Il est à noter que dans ces conditions, vues la masse du régénérateur et sa forte capacité- calorifique d'une part, et vues la masse de gaz à chaque évolution et sa capacité calorifique d'autre part, l'encombrement du régénérateur ne représente qu'une faible fraction du volume de la chambre des évolutions. Une caractéristique importante de l'invention est la localisation du régénérateur (9). Selon l'invention, le régénérateur (9) est situé à l'extrémité supérieure de la chambre des évolutions (10), entre cette dernière et le dispositif d'admission (3,4) et le dispositif d'échappement (5,6). Afin de mettre en évidence le fonctionnement du moteur de l'invention, on décrit à titre général un cycle thermodynamique approprié à l'invention. On pour rait opter pour d'autres cycles connus ayant une effica cité comparable au cycle de Carnot. Le fonctionnement est assuré en deux temps en lesquels on peut distinguer quatre phases. Nous référant toujours à la figure 1 et considérant le piston (2) en position au point mort haut, ainsi que les soupapes (4,6) fermées; la soupape d'admission (4) étant ouverte, on introduit dans la chaire des évolutions (il)) une nasse limitée de gaz comprimé qui, traversant le régénérateur (9) s'échauffe par exemple de cent degrés à sept cent cinquante degrés centigrades. Le piston (2) commence pendant ce temps sa course vers le bas. Il s'agit d'une détente qui peut être isobarique. Cette masse d'air étant introduite, la soupape d'admis sion (4) est refermée, et l'injecteur (7) laisse passer une masse contrôlée de combustible qui est auto-inflam mée le temps que continue à descendre le piston (2). -C- & tede'tente est alors isothermique. Le piston (2) étant arrivé au point mort bas, on ouvre la soupape d'échappement (6) et le piston (2) remontant, la masse de gaz détendue passe à l'échappement libre par le~régé- nérateur (9) auquel il cède sa chaleur jusqu'à égalisa tion des températures entre le gaz et le matériau régé nérateur (9). Selon les paramètres choisis, l'évolution correspondante est en partie une détente isochore et en partie une compression isobarique. Enfin avant complète remontée du piston (2) la soupape d'échappement (6) est refermée, en sorte que le volume mort de la chambre doe évolutions (10) t le volune interstitiel du re'rat,r t9) se trouve à une pression égale à la pression d'une nouvelle admission. Cet exemple de réalisation étant donné ainsi que déjà dit à titre non limitatif, il est évident que le dispositif de l'invention peut s'appliquer, entre autre, à un moteur du type ci-dessus référencé, comportant une préchambre de combustion, ou encore présentant le réchauffage par un moyen connu d'une fraction du gaz d'admission comprimé. En quel cas c'est le gaz comprimé et réchauffé qui est introduit dans la chambre des évolutions (10) en place de l'injection du combustible, c'est-à-dire sans passer par le régénérateur. Un exemple de cette variante apparaitra avec la description ultérieure conjointe à la figure 5. Par ailleurs, il peut être avantageux dans certains cas d'isoler les superstructures du moteur, au lieu d'en assurer le refroidissement. En se référant maintenant à la figure 2, le régénérateur caractéristique (9) est constitué d'un matériau de texture lacunaire (12) à forte capacité calorifique et à faible hystéresis. Ce régénérateur (9) est parcouru alternativement par les gaz, dans les deux sens, à savoir - dans le sens A pour les gaz d'échappement qui échauffent le matériau (12) du régénérateur (9) par égalisation des différences de température entre les deux corps. I1 s'établit alors un gradient thermique (13), le long du régénérateur (9), en sorte que le fluide sorte refroidi à l'autre extrémité, c'est-à-dire à l'atmosphè re.En fonctionnement, ce gradient thermique progresse, par exemple de cent degrés centigrades à l'admission, jusqu'à sept cent cinquante degrés centigrades côté chambre de combustion - dans le sens B par les gaz d'admission, à l'état refroidi, qui, au contact du régénérateur (9) s'échauffent avant de pénétrer dans la chambre à évolutions (10); en proportionnant la capacité du régénérateur à celle des masses de fluide de la circulation alternée, on arrive en pratique à un rendement thermique de récupération supérieur à quatre vingt dix neuf pour cent quand la fréquence du cycle est de cinquante Hertz Afin de mettre en évidence les avantages offerts par le régénérateur, il est proposé le parallèle avec le cycle à récupération appliqué aux turbines à gaz.En référence aux figures 3 et 4, représentant schématiquement les circuits respectifs des deux types d'application, on observe qu'en ce qui concerne la turbine (15), les gaz détendus passent dans un échangeur (16) avant leur échappement à l'atmosphère. Ceci afin de réchauffer les gaz sortant du compresseur (17). Ainsi, ce gaz comprimé, puis réchauffé est introduit dans la chambre de combustion (18), qui précède l'admission à la turbine (15). L'expression du travail utile résultant de ce moyen reste inchangée par rapport à un cycle sans récupération. Cependant, que la chaleur à fournir est dans ce cas diminuée de la chaleur récupérée, et par conséquent, le rendement thermique se trouve amélioré d'autant. Il est à noter, qu'à chaleur équivalente, le rendement thermique est supérieur dans le cas du régéné- rateur pour moteurs thermiques à évolutions alternatives par rapport à l'échangeur de la turbine.Ceci pour deux raisons - la turbine (15) fonctionne avec une détente adiabatique (désavantage que l'on compense en partie par le moyen de réchauffages intermédiaires), alors que dans la chambre des volutions (10), la détente peut être quasi isothermique, si la combustion est effectuée dans le même temps que la détente motrice - l'échangeur présente une efficacité de soixante quinze pour cent, pour des raisons d'encombrement et de coût, alors que le régénérateur présente une efficacité économique supérieure à quatre vingt dix neuf pour cent L'invention peut également être particulièrement adaptée au générateur à pistons libres, dont l'avantage principal est l'excellent rendement (voir figure 5). Dans cette utilisation, les pistons libres du générateur à gaz chaud, sont solidaires des pistons compresseurs d'air, dont la fonction est d'assurer les échanges passant par les régénérateurs des pistons moteurs, tandis que le gaz chaud (entre neuf cent et mille degrés centigrades) est introduit directement dans les chambres au cours des détentes motrices. On observe au sein d'un générateur à piston libre le clapet d'admission (21) du compresseur par lequel entre l'air froid extérieur. L'air subit une compression de la part des pistons du générateur (22). Puis l'air ainsi comprimé est acheminé dans la chambre des évolutions (23) par l'intermédiaire du clapet d'échappement du compresseur (24) et de la soupape d'admission de l'air comprimé chaud (25), en se réchauffant le long du régénérateur (26) analogue du régénérateur (9) décrit précédemment. L'air extérieur entre aussi dans le générateur par l'intermédiaire du clapet de suralimentation moteur (27).Cet air est poussé par le piston compresseur du générateur (22) solidaire du piston moteur du générateur (36) : ce dernier entraine l'air dans la chambre de combustion (29) par l'intermédiaire du clapet d'admission d'air moteur (30), où le combustible est injecté par un injecteur (31). Après combustion, le gaz chaud est recueilli dans un collecteur (32) et est envoyé dans la chambre des évolutions (231 par l'intermédiaire de la soupape d'admission de çtazchaud (33). En fin de course du piston moteur (34), ce gaz chaud qui a contribué à la détente motrice, est achemine vers l'atmosphère par la soupape d'échappement (35), mais il a au préalable traversé le régénérateur (26:, celui-ci récupérant les calories du gaz chaud. Il est à noter que la combustion du mélange dans la chambre de combustion (29), provoque la compression de l'air par le piston compresseur du générateur (22) par l'intermédiaire du piston moteur du générateur (36), solidaire de ce dernier. Le dispositif à régénération pour moteurs thermiques à évolutions alternatives de l'invention, présente deux avantages essentieis, à savoir - un coût réduit, puisqu'il ne fait appel qu'à des pièces simples - un faible encombrement, puisqu'il fait partie intégrante du bloc culasse comportant le mécanisme distributeur, ce qui n'augmente guère le volume total du moteur. REVENDICATIONS 1/ Dispositif à régénération pour moteurs thermiques du type à admission comprimée, dit "à suralimentation", comprenant une chambre des volutions(l0,23), et des organes d'admission (3,48 et d'chappenerrc (5,6) de tels gaz, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau régénérateur (9,26) intercalé sur le passage alterné des gaz, entre la chambre des évolutions (10,23) et lesdits organes d'admission (3,4) et d'échappement (5,6), ledit ma matériau régénérateur (9,26) ayant une grande capacité calorifique et présentant un faible hystérésis. 2/ Dispositif à régénération selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau régénérateur (9,26) présente une texture lacunaire (12) d'importance proportionnée à la fréquence et les pertes de charges admises. 3/ Dispositif à régénération selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau régénérateur (9,26) est choisi dans le groupe constitué à titre non limitatif par la laine d'acier, les fibres ou tubes en céramique technique, les toles en acier réfractaire. 4/ Dispositif à régénération selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moteur du type à admission comprimée comporte une préchambre de combustion 5/ Dispositif à régénération selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une partie du gaz d'admission comprimé est réchauffé par un moyen connu, avant son introduction dans la chambre des évolutions (10,23) par l'intermédiaire d'une soupape annexe (33), en cours de la détente motrice.