Brevet FR2593855A1 — publié le 19870807

Le cycle classique des moteurs thermiques a explosion ou de ceux a combustion interne, dits Diesel, est celui connu sous le nom de cycle a quatre temps, ou cycle Beau de Rochas ou encore cycle Otto. Ces quatre temps sont, dans l'ordre: 1) introduction d'un volume VO de gaz "neufs å la température TO et a la pression PO 2) compression de ces gaz neufs dans un volume Vi leur pression devient P1 et leur température Ti 3) échauffement de ces gaz jusqu'a la température T2, volume V2, pression P2 par combustion (ou explosion), suivi de la détente de ces gaz jusqu'3 un volume V3 a la pression P3 et une température T3. 4) refoulement a l'extérieur (échappement) des gaz usagés a la pression P4, température T4. Les moteurs dits a deux temps n'en comportent pas moins les quatre phases décrites ci dessus et dans le meme ordre, avec la partivularite d un croisement des temps admission et echappement qui necessite une pression d'admission relativement élevée pour assurer un balayage des gaz d'échappement. Les méthodes de mise en oeuvre de ce cycle ne permettent pas d'utiliser toute l'énergie calorifique développée lors de la combustion (ou de l'explosion) car le volume de détente (V3) est å peu près le même que celui des gaz admis Des réalisations ont montré que ce cycle a quatre temps peut être réalisé dans des moteurs rotatifs å capsulisme. La présente invention est un procédé très simple applicable aux moteurs a une (ou plusieurs) enceinte(s) de volume variable (capsulisme) et permet d'approcher de très près le rendement thermodynamique maximum possible. Elle consiste a conditionner les ouvertures ou orifices d'admission "An et d'échappement "E" de chaque enceinte å volume variable (capsule) de telle sorte que l'on puisse rea- liser les phases thermodynamiques dans l'ordre suivant:: Dans une enceinte de volume V3 des gaz brulés sont contenus a la pression P3 s un orifice "A" s'ouvre dans l'enceinte , le déplacement des organes délimitant l'enceinte porte le volume å la valeur V4 > V3, si la pression P3 est inférieure a la pression PO qui règne a l'orifice "A" il y a introduction d'un volume VO=V4-V3 de gaz neufs constitués par un comburant mélan gé ou non avec un combustible. A la fin de cette phase l'ori- +ice "A" se ferme. 2) a ce moment un autre orifice "E" s'ouvre, le volume de l'enceinte diminue de V4 a VO la pression qui règne a l'orifice "E" est P4 de telle sorte qu'un volume V3 de gaz brulés s'tchappe. A la fin de cette phase l'orifice "E" se ferme. 3) Tous les orifices étant fermées, le volume de l'enceinte est reduit de VO à vi, comprimant ainsi les gaz restant a la pression Pi et les portant a la température T1. 4) A ce moment, la combustion rapide des gaz ou leur explosion les pote a la température T2 et pression P2; si I gaz neufs ne comportent pas de combustible celui-ci est introduit au plus tard a ce moment, puis ils se détendent en produisant un travail moteur jusqu'au volume V3, leur pression devient P3 et leur température T3. Le cycle peut recommencer. Selon les paramètres de fonctionnement,la température T3 des gaz apures une simple détente avec production d'un travail extérieur peut être encore très élevée. I1 est possible, grace a cette nouvelle sequence des phases et a l'inégalité des volumes VO et V3 qu'elle permet, d'utiliser cette chaleur pour transformer å l'intérieur même de l'enceinte un liquide en vapeur et de récupérer cette énergie calorifique sous forme de travail mécanique par détente de cette vapeur dans cette même enceinte avec production d'un travail extérieur. Dans cette description l'expression "gaz neufs" signifie aussi bien un gaz comburant, air ou autre, qu'un mélange de gaz comburant avec un combustible. Dans tous les cas le combustible peut être introduit par tous les moyens utilisés sur les moteurs classiques aussi bien du type à "explosion" , dans lesquels le melange du combustible et du comburant est ante- rieur a la combustion et dont la mise a feu est généralement commandée, que du type Diesel dont la combustion est déclenchée par l'introduction du combustible au sein des gaz neufs portés a haute température par la compression de PO a P1. On notera qu'un tel moteur ne peut fonctionner correctement et économiquement que si la disposition des orifices d'admission "A" et d'échappement "E" est telle qu'il ne puisse y avoir mélange entre gaz neufs et gaz brulés. On notera aussi que les pressions PO et P4 peuvent être differentes ou égales & la pression atmosphérique. Dans ce der-nier cas la pression P3 sera necessairement inférieure à cette pression, ce qui assure bien la détente la plus complète des gaz brulés. On notera encore que la pression Pi est indépendante de la quantité de gaz neufs admis. On notera enfin que tout en respectant la succession de phases ainsi décrites, les temps d'ouvertures et de fermeture des orifices de passage des gaz peuvent être allongés ou raccourcis, anticipés ou retardés de manière à tenir compte des phénomène oscillatoires dds a l'inertie et a l'élasticité des gaz se déplaçant dans les conduits d'admission et d'échappement, sans pour autant sortir de l'invention. En raison de la multiplicité des formes possibles de réalisations de ce type de moteur les descriptions qui suivent ne peuvent pas etre limitatives. Elles montrent la simplicité des moyens mis en oeuvre, seuls sont nouveaux l'ordre dans lequel les moyens d'ouverture et de fermeture des orifices optèrent, et l'agencement de ces orifices pour permettre de respecter cet ordre et éviter le mélange des gaz neufs avec les gaz usagés. Dans un premier exemple de réalisation représenté sur les figures 1,2,3, le moteur est constitué par un (plusieurs) ensem ble(s) cylindre (i) piston (2) bielle (3) manivelle Dans ce premier exemple de réalisation le calcul montre que la température des gaz d'échappement est encore élevée, il est possible de récupérer l'énergie encore contenue sous forme calorifique en injectant un liquide dont le passage a I'état gazeux suivi de sa détente diminue d'autant la temperature tout en récupérant cette énergie sous forme d'énergie mécanique par accroissement de la détente avec production d' un travail mécanique extérieur. Dans cet exemple il est évident que si la circulation des gaz peut se faire admission côté piston et échappement coté fond du cylindre elle peut également se faire admission du cte du fond de cylindre et échappement du côté du piston. Il est encore évident que l'ouverture et la fermeture des orifices par des soupapes peut etre remplacée, par exemple, par une chemise portant des ouvertures et animée d'un mouvement de translation ou de rotation ou louvoyant permettant de fermer ou ouvrir à volonté les tubulures d'admission et d'échappement ou tout autre dispositif permettant d'ouvrir et de fermer les tubulures suivant la position du piston. La figure 4 représente un deuxième exemple de réalisation, elle concerne un systeme moteur a piston(s) libre(s) permettant de récupérer directement l'énergie du mouvement de va et vient du piston sans passer par la transformation en mouvement circulaire. Dans cet exemple de réalisation, le piston (2) est libre a l'intérieur d'un fourreau (il) fermé a ses extrémités, ce fourreau peut lui meme coulisser à l'intérieur d'un cylindre (1) portant des butées limitant la course du fourreau. Un systeme bi-stable (12) maintient le foureau dans ses positions extrêmes, tant qu'un effort supérieur a un certain seuil réglable pour chaque position n'est pas appliqué.Un systeme élastique quelconque, non représenté, pousse en permanence ce fourreau vers la position qu'il a au moment de l'explosion. Le fonctionnement est le suivant: nous supposerons qu'une explosion vient de se produire, le fourreau est en appui, dans la position échappement lolo) fermé et la pression dans la chambre de combustion (13) le maintient dans cette position. En raison du mouvement de recul du piston dans le fourreau, la pression dans la chambre de combustion diminue jus quota devenir inférieure a celle dans la tubulure d'admission (6) c'est a ce moment que le piston découvre 1' ouverture d'admission (5), pendant ce temps la pression dans I'autre chambre (14) augmente jusqu'a provoquer le changement de position du fourreau.Le réglage de la stabilité du fourreau doit être réalisé de telle sorte que son changement de position intervienne au moment où le volume nécessaire de gaz frais est entré dans la chambre (13). Dans son changement de position, le fourreau ferme la tubulure d'admission (6) et ouvre celle d'échappement 19), la pression dans la chambre 114) appliquée sur la face du piston est alors telle qu'elle le renvoie en sens inverse provoquant ainsi l'échappement des gaz usagés, jusqu'a ce que la pression dans la chambre arrière diminuant, le fourreau poussé par le systeme élastique revienne dans sa première position ce qui provoque la fermeture de l'orifice d'échappement lolo). Le piston comprime les gaz jusqu'au moment où, soit un systeme d'allumage commandé, soit l'effet dit "d'auto allumage provoque 1' explosion, le cycle peut reconmencer ainsi indéfiniment. Comme dans le premier exemple de réalisation, la transformation en vapeur d'un liquide pendant la détente permet d'accroitre cette detente et de diminuer la température des gaz d'échappement. La récupération de l'énergie dans un tel systeme peut se faire de toutes les manières habituelles, notament par couplage d'une tige sur le piston ou par utilisation de la face arrière du piston pour comprimer un fluide dans la chambre 114) Un troisième exemple de réalisation, représenté sur la fi gure 5, montre l'application de l'invention sous la forme d'un moteur rotatif.Le moteur est formé par une partie fixe, appelee stator, constituée par un cylindre creux ll5) limité par deux flasques 116) et li;'), a l'intérieur duquel tourne une partie mobile, appelée rotor, constituée de plusieurs palettes 118) pouvant coulisser dans un moyeux (19) et venant glisser sur les parois çylindriques et les flasques du stator, l'axe autour duquel le rotor tourne est excentré par rapport a celui du stator.Au cours d'une révolution du rotor, le volume contenu entre deux palettes consécutives, le moyeu, la paroi cylindrique fixe et les flasques varie de manière cyclique, une Comme pour les deux premiers exemples de réalisation la vaporisation d'un liquide au cours de la détente permet d'accroitre l'écart entre la température de combustion et la température d'échappement avec récupération concommitante d'énergie par allongement de la détente. La possibilité de décaler la position des ouvertures d'admission et d'échappement permet de faire varier les volumes VO,V1,V3 et de régler la marche du moteur selon les conditions optimum de rendement thermodynamique. REVENDICATIONS 1 - Moteurs thermiques å combustion interne ou à explosion caractérisés par une succession d'opérations réalisées sur des gaz a l'intérieur d'une (d') enceinte(s) de volume variable cycliquement (13) (capsulisme) ainsi que suit et dans l'ordre: admission de gaz neufs par au moins un orifice obturable (5) (6), échappement de gaz usagés par au moins un autre orifice obturable (9) , combustion ou explosion et détente des gaz dans ce volume variable (13).Ces moteurs sont encore caractérisés par une disposition des orifices d'admission (5) (6) et d'échappement (9) (10) permettant d'éviter le mélange des gaz neufs et des gaz brûlés pendant les temps d'admission, echappement et compression. 2 - Moteurs thermiques à combustion interne ou å explosion selon la revendication 1 caractérisés par l'abaissement de la température des gaz d'échappement par utilisation de leur chaleur sensible pour transformer un liquide en vapeur a l'inté- rieur meme de cette 3 - Moteurs thermiques a combustion interne ou a explosion selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisés par le fait que les variations de volume et de pression sont sb- tenues par le déplacement d'au moins un piston {2) à l'inté- rieur d'au moins un cylindre (1) 4 - Moteurs thermiques a combustion interne ou a explosion selon la revendication 3 caractérisés par le fait que le travail moteur des gaz sur le(s) piston(s) (2) animé(s) d'un mouvement alternatif de va et vient est transfert a un arbre moteur en rotation (20) par un ensemble mécanique (3) (4). 5 - Moteurs thermiques a combustion interne ou à explosion selon la revendication 3 caractérisés par le fait que le travail moteur des gaz sur le(s) piston (2) est transféré directement par le mouvement alternatif de va et vient du piston ou au moyen d'un accessoire lié rigidement au piston. 6 - Moteurs thermiques à combustion interne ou å explosion selon la revendication i ou la revendication-2 caractérisés par le fait que les variations cycliques de volume (03), de température et de pression sont réalisées dans un systeme constitué d'un ensemble mécanique animé d'un mouvement de rotation (18) (19) et d'un ensemble mécanique fixe (15) (16) (17) (capsul isme rotatif 1