Brevet FR2594483A1 — publié le 19870821

L'appareil est destiné à la récupération de l'énergie thermique dissipée dans des gaz d'échappement et le fluide de refroidissement des machines thermiques, en particulier moteurs à combustion interne, turbine à vapeur et à gaz, moteurs à propulsion et autres. De la totalité de l'énergie introduite dans les machi- nes thermiques, il n'y a qu'une petite partie qui est utili- sée effectivement tandis que la plus grande partie est dissi- pée dans les gaz d'échappement et le fluide de refroidisse- ment des machines. L'appareil proposé permet la transforma- tion de l'énergie dissipée en énergie mécanique, qui, au moyen d'un élément de transfert, est dirigée sur l'arbre de la machine thermique. De cette manière, le rendement de la machine peut être considérablement augmenté, c'est-à-dire que l'on peut diminuer la consommation spécifique de combus- tible de la machine thermique. De toutes les pertes énergétiques dans les machines d'entraînement, les plus importantes sont dues à l'énergie dissipée dans l'environnement par les gaz d'échappement. De nombreuses tentatives ont été effectuées-pour utiliser de l'énergie des gaz d'échappement. Dans les moteurs à piston à combustion interne on uti- lise depuis longtemps l'énergie des gaz d'échappement pour la turboalimentation:expansion des gaz dans une turbine à aubes qui entraîne un compresseur d'introduction forcée de l'air ou du mélange d'air et du gaz. C'est le forçage connu du moteur qui augmente considérablement la puissance et très faiblement le rendement. Dans les moteurs à propulsion, la liaison de la turbine et du compresseur est utilisée réguliè- rement pour l'amélioration du cycle de marche. Récemment ont commencé à se développer les turbines à aubes dans lesquelles l'énergie des gaz d'échappement se transforme en énergie mécanique renvoyée directement vers l'arbre de la machine thermique (recherches connues de la Compagnie Cuminins, US et autres). Jusqu'a présent, de cette manière, le rendement du moteur a été miodestement augmenté. Zn dehors des inconvénients des turbines classiques le pro- blême principalement signalé est celui de la régulation non définie lors du débit variable de gaz sur des régimes par- tiaux de marche des moteurs à combustion interne. Dans les machines à vapeur à piston, des turbines à vapeur et à gaz et autres machines similaires, jusqu'à présent n'a pas été utilisée l'expansion complémentaire des gaz d'échappement pour l'obtention d'énergie mécanique supplémentaire sur 1' arbre de sortie. Les machines thermiques d'entraînement commencent à se moderniser intensivement aujourd'hui, surtout en vue d'aug- mentation de leur rendement. Cela résulte de deux raisons principales: limitation de la quantité de combustible dis- ponible et grande pollution d'environnement. Une augmentation importante du rendement des machines thermiques s'avère possible par une utilisation plus renta- ble de leur énergie résiduelle, surtout de celle éliminée par des gaz d'échappement. Ce problème technique trouve une solution grâce au détendeur proposé. La présente invention propose un détendeur rotatif de l'énergie dissipée des machines thermiques comportant un ro- tor à symétrie complète, des chambres de-compression tan- gentiellement disposées à la périphérie du rotor, des buses sur des sorties des chambres de compression pour l'écoule- ment supersonique des jets qui conditionnent la rotation du rotor, des tubes de recyclage des gaz d'échappement et d'air chaud et une régulation du débit des fluides à travers les buses, des éléments permettant la combustion finale du mé- lange dissipé de combustible, des gaines céramiques sur des surfaces de marche ainsi que d'autres pièces nécessaires. La haute efficacité de l'invention est atteinte par la vitesse supersonique de circulation, par le débit régularisé augmenté à travers des buses et par utilisation au maximum du bras de levier du moment. Les chambres de compression,le système de recyclage des fluides et les formes des extrémi- t6s de sortie des buses ont un rôle primordial pour la cir- culation supersonique des fluides. Les calculs montrent la possibilité d'obtenir par ce détendeur optimisé, dans la plupart des applications aux moteurs à combustion interne, une augmentation de rendement de l'ordre de 30 A. Les carac- t6ristiques stationnaires et dynamiques des moteurs sont notablement améliorées, ainsi que la régularit6 de rotation, le niveau de bruit et la pollution d'environnement. - Les caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront d'ailleurs de la description qui va suivre d'une forme de réalisation en référence aux dessins annexes o la figure 1 est une vue en coupe axiale du détendeur suivant la ligne C-C de la figure 3; la figure 2 est pne vue en coupe radiale du détendeur suivant la ligne AA de la figure 1, une partie seulement du carter étant représentée; la figure 3 est une coupe suivant la ligne B-B de la figure i avec coupe partielle du tuyau de décharge avec les pièces de circulation des fluides et de l'air; la figure 4 est une présentation schématique. de la posi- tion tangentielle de buse sur la périphérie du rotor; la figure 5 est une présentation schématique de la po- sition tangentielle de la sortie de buse sur la périphérie du rotor; la figure 6 est une pr6sentation schématique d'une buse avec sortie obliquement coupée; et la figuré 7 est une présentation schématique de buses ménagées dans la paroi périphérique du rotor. La partie essentielle de l'appareil est le rotor 1 en forme de disque creux rotatif et symétrique. Sur la périphé- rie du rotor i sont disposées tangentiellement des chambres de compression 2 avec une-partie d'entrée du côté intérieur et des parties de sortie du côté extérieur de paroi périphé- rique du rotor. Sur les sorties des chambres de compression 2 sont posées des buses 4 du type Laval ou Venturi. Les sor- ties des buses 4 sont tangentielles sur le cercle imaginé décrit par leuir centres. A la position indiquée des buses 4, sur la figure 2, apparalt la colinéarité du vecteur de la vitesse périphérique U et du vecteur de vitesse de jet V. 33 Les buses 4 sont fixées par vissage sur le support des buses 3. Les chambres de compression 2 et les buses 4 sont posées symétriquement sur la périphérie du rotor, de préférence en nombre pair. Le rotor est monté sur l'arbre à l'aide d'une clavette 6 et d'un écrou 7. Au lieu de la clavette 6 on peut utiliser tout autre type de connexion (par exemple arbre rainuré, fileté et autre). Entre l'arbre 5 et celui de la machine thermique, il est prévu un élément de transfert multiplicateur de la vitesse de l'arbre 5, avec un rapport de 2 à 10 (par exem- ple une paire de pignons, une transmission à courroie ou autre). Dans les moteurs à grande vitesse de rotation et là o on peut prévoir un diamètre un peu plus grand du rotor 1, le détendeur peut être monté directement sur un bout de 1' arbre de la machine thermique. La position du rotor 1 est définie par la bague entre- toise 9 par rapport à un palier dans le carter 10. Sur le moyeu du rotor 1 est fixée par vissage une pièce de protec- tion thermo-isolante 11 pour diminuer le transfert de cha- leur sur les pièces d'accouplement du rotor avec l'arbre. Sur la paroi du rotor 1 sont ménagées des ailettes 12 pour la circulation radiale de l'air (flèche e). On assure ainsi le refroidissement tout en évitant la circulation des gaz du carter 13 le long du couvercle 14. Ce couvercle 14 est fixé à l'aide de vis 16 à travers un joint 15. Le carter 13 et le couvercle 14 sont fixés au bloc moteur A l'aide de supports 17 (régulièrement 3 pièces). Le tuyau d'amenée des gaz d'échappement 19 est posé tangentiellement sur la chambre d'amenée 18 qui est fixée sur l'ouverture latérale du carter 13 par des vis 21 traver- sant un joint annulaire 20 en regard d'un canal latéral cir- culaire dans lequel est engagé un embout cylindrique de pro- fil conique délimitant l'ouverture latérale du rotor l.Ceci empêche le passage des gaz de la chambre 18 dans l'espace confiné par le carter 13. Dans la chambre d'arrivée 18 est introduit le bout d'un tube de circulation 22 -équipé d'un clapet A sens unique 23 comportant une bille 24 dont le mouvement est limité par une tige 24a. Alternativement, le bout du tube de circulation 22 peut être engagé dans la partie rétrécie du tuyau d'arrivée 19. Dans la paroi de la chambre 18 est monté une bougie ou un autre réchauffeur électrique 25 pour la combustion finale des résidus combustibles du mélange des gaz d'échappement. Ceci est important pour l'application de détendeur sur des moteurs à deux temps. Le tuyau d'échappement 34 est disposé tangentiellement sur la périphérie du carter 13, o le bord de fuite 26a du tuyau est adapté à déterminer la direction de circulation des gaz. Dans la zone conique d'échappement 26 est installé le filtre de circulation 27. Lors de la fabrication par moulage du rotor 1 les cham- bres 2 peuvent être exécutées en tant que parties de la pa- roi périphérique du rotor-ou- bien les chambres 2 peuvent- être coulées dans la paroi du rotor--l. De la même manière, les buses précédemment décrites peuvent être coulées dans la partie de sortie des chambres 2. Les buses 4 peuvent être aussi curvilignes avec des sec- tions transversales quelconques. Lors du coula- ge du carter 13, le tuyau d'échappement 26 peut être formé d'une seule pièce avec sa paroi périphérique, o l'entonnoir 27 et le tuyau 35 peuvent être moulés avee le tuyau 26. De la même manière peut être exécuté le tuyau d'arrivée 19 lors du coulage de la chambre d'arrivée 18. Des mesures appropriées sont prises pour rendre lisses les surfaces balayées par le fluide en circulation dans les pièces 1, 2, 4, 13, 18, 22 et 27. Le fonctionnement du dispositif peut être expliqué com- me suit: Les gaz issus du tuyau d'échappement de la machine thermique traversent le tuyau d'arrivée 19 et la chambre 18 (flèche a) pour accéder ainsi à l'intérieur du rotor 1. En cas de vitesses de rotation faibles du rotor 1 le tuyau d' arrivée 19 peut être installé de telle manière que les gaz tournent dans le sens inverse de la rotation du rotor. En cas de vitesses de rotation élevées du rotor 1, on préfère la position inverse du tuyau 19 sur la paroi de la chambre 18, de même que l'on a le même sens de la rotation des gaz et du rotor. Quand les gaz pénètrent a l'intérieur de la chambre 18 et dans le rotor 1 leur pression est augmentée en raison de l'énergie cinétique de circulation. Une certaine augmentation provient aussi de l'influen- ce de la force centrifuge. Une augmentation considérable de pression se produit dans les chambres de compression 2 à disposition tangentielle. Les sections d'écoulement des cham- bres 2 doivent être considérablement supérieures à celles des buses 4 (environ 3 à 10 fois). Les dimensions, la forme et la position des chambres de compression 2 sur la paroi périphérique du rotor ont un rôle primordial en.vue de la circulation dans les buses 4 et l'écoulement des jets à vi- tesse supersonique (expansion complète des gaz). C'est pour cela que l'on prévoit au détendeur les buses Laval ou Ventu-- ri. Dans ces buses, on prévoit un ajustement du profil de la partie divergente en vue d'éliminer l'influence nuisible des ondes de choc qui sont inévitables lors des circulations supersoniques. Dans le détendeur selon l'invention la position des bu- ses 4 en bout des chambres de compression 2 est fixée de sorte que les sorties des buses 4 soient tangentielles sur le cercle décrit par les centres de ces sorties lors de ro- tation. La figure 2 montre que dans une position la buse 4 porte au maximum le bras de levier du couple d'entraînement. Les figures 4, 5, 6 et 7 montrent schématiquement di- verses formes possibles de réalisation. La figure 4 indique une première disposition tangentiel- le de la buse 4 en application directe de ce principe. Il est évident qu'au centre-du débouché de la buse T n'existe pas ici la colinéarité du vecteur V de la vitesse de jet et du vecteur U de la vitesse périphérique, de sorte que la force de refoulement du jet s'exerce avec le bras de levier ref qui est inférieure au rayon r. A ceci il faut aussi ajouter le sens défavorable de la vitesse relative de jet W. Ceci augmente les résistances (rebond des jets sur la paroi du carter) et la pression exercée par le fluide sur le car- ter 13. Ces inconvénients sont aggravés dans certaines au- tres dispositions que l'on peut rencontrer avec des buts différents o les buses sont formées directement dans la paroi du rotor 1, comme par exemple sur la figure 7 (phéno- mène connu de détournement du jet). Des dispositions o au centre T du débouché de buse on peut atteindre la colinéari- té du vecteur U, V et W sont présentées sur les figures 5 et 6; Selon la figure 5, la condition citée peut être atteinte par la forme et le sens de la tubulure de sortie de la cham- bre 2. La buse est disposée de sorte que son axe longitudi- nal coïncide avec la tangente au cercle de rotation du cen- tre T de la sortie de buse 4. La figure 6 présente une forme de réalisation o le bout de sortie de la buse est oblique- ment coupé.et la buse est disposée de telle manière que son bord le plus court est tourné vers le centre de la rotation 0. Dans la section oblique le jet se trouve détourné d'un angle f. Par le choix de la position de buse et de l'angle de la section oblique on peut atteindre la colinéarité indi- quée des vecteurs U, V et W. Lors de grandes vitesses des jets V, les gaz se dirigent vers la périphérie du carter en un écoulement annulaire in- verse de la rotation du rotor. C'est pour cela que le tuyau d'échappement 34 est disposé tangentiellement sur la péri- phérie du carter 13 dans le sens inverse de la rotation du rotor. Un détournement plus fort des gaz du courant d est réalisé par le bord postérieur 26a ("poche" d'orientation). Si la buse est dimensionnée pour le débit massique de fluide maximal, alors aux régimes réduits de la marche du moteur thermique, les conditions de circulation seront chan- gées et l'expansion dans les buses ne sera pas complète. C'est pour cela que dans-le détendeur proposé est introdui- te la régulation qui consiste en la réintroduction dans la circulation d'une partie des gaz apr&s expansion dans les buses 4. La recirculation comporte un entonnoir 27 au départ de la tubulure d'échappement 26, le tube de circulation 22 et la vanne 23. Les éléments 27 et 23 sont connectés avec le tube de recirculation. Au lieu du clapet à bille 24 on peut utiliser une vanne à couvercle ou autre. A cause de l'éner- gie cinétique du courant d, la pression à l'entonnoir 27 est augmentée, surtout lors de l'apparition des jets. Dans le mode proposé de régulation du débit, les buses doivent être calculées pour le débit maximal des gaz du moteur thermique, prenant en compte aussi les gaz du courant d2 qui retour- nent dans la chambre 18. Le courant d2 se régularise automa- tiquement sous l'influence des chambres de compression 2. Cependant, aux régimes partiels de marche du moteur thermi- que, la pression de la chambre 18 sera diminuée, et par con- séquent le débit massique du courant d2 est augmenté et ain- si le débit total massique à travers les buses. Dans ce cas, la régulation de circulation dans les buses se fait par la modification de niveau de recirculation. Dans les moteurs ayant une large zone de vitesses de marche, il faut compter avec un niveau de recirculation relativement élevé. Dans certaines applications du détendeur, au lieu du tube de circulation 22, un bout de tube de circulation 22a peut être introduit dans la partie rétrécie du tuyau d'arri- vée 19 qui forme un Venturi et peut utiliser ainsi l'effet d'éjection du courant de gaz a. Ainsi, dans certaines appli- cations on peut éviter la vanne à sens unique 23. A l'aide d'un tuyau 35 débouchant dans le tube de circulation on peut introduire aussi de l'air chaud (flèche d3). Cet air est habituellement pris dans le système de refroidissement de la machine thermique et Aà l'aide du tube 35 il est diri- gé autour ou a l'intérieur du tuyau d'échappement 34 pour un chauffage supplémentaire du courant d1. Ceci est d'une importance particulière pour les moteurs & carburateur-à deux temps. Au lieu des ailettes 12 (figure 1) sur la paroi laté- rale du rotor 1, on peut.réaliser une étanchéité entre le moyeu du rotor et le couvercle 14 à l'aide d'un type appro- prié de joint métallique.- Pour augmenter l'efficacité du détendeur, on peut cons- truire des gaines de "métaux céramiques'" sur les surfaces internes du rotor 1, de la chambre 2, de la chambre d'arri- vée 18, du tuyau 19 et du tube de circulation 22. Dans le même but il est recommlandable que toutes ces pièces soient fabriquées en "métaux céramiques" ou bien en matériaux-ayant un coefficient de transfert de chaleur inférieur par rap- port aux mnaturiau: classiques. REVENDICATIONS 1. Détendeur rotatif de récupération de l'énergie dis- sipée des machines thermiques, caractérisé en ce qu'il com- porte un rotor (1) sous forme de disque rotatif et symétri- que délimitant une enceinte rotative (la) qui, à l'aide d' une ouverture latérale et d'une chambre d'arrivée (18) est connectée au tuyau d'échappement de la machine thermique, des chambres de compression (2) disposées tangentiellement sur la paroi périphérique du rotor (1) des buses(4)à la sor- tie des chambres de compression (2) en position de bras de levier maximal du moment en forme de tube de Venturi avec des débouchés corrigés pour l'écoulement supersonique des jets de fluides qui conditionnent la rotation de rotor (1), une chambre d'arrivée (18) fixée du côté de l'ouverture la- térale du carter (13), un tuyau d'arrivée (19) tangentiel sur la paroi de cette chambre (18), un tuyau d'échappement tangentiel au carter (13), un entonnoir (27) dont le bout plus large est installé au départ de ce tuyau (26), un tube de recirculation (22) qui connecte l'entonnoir (27) avec la chambre (18) ou bien avec le tuyau d'arrivée (19), des piè- ces de fixation du rotor (6,7,8,9,19) sur un arbre (5) en vue du transfert du moment de rotation sur l'arbre de la machine thermique. 2. Détendeur selon la revendication l, caractérisé en ce que sur la paroi périphérique du rotor (1) sont tangen- tiellement disposées les chambres de compression (2) avec ouvertures d'entrée plus larges du côté interne de la paroi et tournées vers le sens de rotation du rotor, tandis que leurs ouvertures de sortie plus petites sont du côté externe de la paroi et tournées dans le sens inverse. 3. Détendeur selon les revendications 1 et 2, caractéri- sé en ce que les chambres de compression (2) sont exécutées d'une seule pièce avec la paroi périphérique du rotor (1) avec seulement une partie négligeable du côté externe de la dite paroi périphérique. 4. Détendeur selon les revendications 1 à 3, caractéri- sé en ce que les buses (4) sont en tube de Laval ou Venturi pour écoulement à vitesse supersonique du fluide, les parties divergentes des buses étant corrigées en vue d'éliminer des effets négatifs des ondes de choc,-les bouts dé-sortie des buses étant, le cas échéant, coupés obliquement. 5. Détendeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bouts des chambres de compression (2) sont exécutées d'une seule pièce ou comme parties séparées,les buses curvilignes (4) avec'des coupes latérales qui ne sont pas axialement symétriques. 6. D6tendeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que sur la-périphérie du rotor (1) sont installées plusieurs chambres de compression (2) avec en leurs bouts le nombre correspondant de buses (4), ce nombre pouvant étre pair ou impair. 7. Détendeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que sur les bouts de sortie des chambres de compression (2) sont posées des buses (4) dans une position telle que leurs axes longitudinaux sont tangents au cercle décrit par les centres (T) des bouts de sortie des buses, cette disposition assurant la colinéarité du vecteur de vitesse périphérique (U) et du vecteur de vitesse de jet (V). 8. Détendeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sur les bouts de sortie des chambres de compression (2) sont posées des buses (4) courbées en arc, de sorte que leurs axes longitudinaux d'arc sont en coincidence avec le cercle de rotation de centre (T) des bouts de sortie des buses autour de l'axe (0) ou bien y sont installées les buses avec des bouts de sortie obliquement coupés o l'angle de la coupe oblique est tel qu'aux centres (T) des bouts de sortie des buses est réalisée la colinéarité du vecteur de la vitesse périphérique (U) et du vecteur de la vitesse du jet (V). 9. Détendeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que sur la périphérie du carter circulaire ou spirale (13) est tangentiellement posé le tuyau d'échappement (34) dans le sens inverse de sens de rotation du rotor, o le bord postérieur (26a) du tuyau est adapté à orienter la sortie des gaz (d) du carter (13). 10. Détendeur selon l'Wfie quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au début de-tuyau d'échappement (34) est disposé un entonnoir (27) avec une-ouvërture plus large en face de courant de sortie des gaz (d), cet entonnoir étant connecté par un tube de recirculation (22) avec la chambre d'arrivée (18) et dans le tube de recirculation (22) étant prévue une vanne (23) à sens unique pour circulation de retour et régulation du débit à travers des buses. 11. Détendeur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'extrémité du tube de circulation est montée dans la partie rétrécie (avec le profil de Venturi) du tuyau d'arrivée (19) pour utilisation-des effets -d:'éjection au bout du tube de circulation (22a) permettant la suppression de la vanne (23) dans certaines--applications. 12. Détendeur selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que dans le tube de circulation est introduit par un tuyau (35) de l'air du système de refroidissement de la machine thermique, ce tuyau (35) pouvant être monté autour o à l'intérieur du tuyau d'échappement (34) pour chauffage supplémentaire de l'air. 13. Détendeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le -rotor (1) est fixé directement en bout de l'arbre de la machine thermique ou bien monté sur un arbre auxiliaire (5) qui est relié audit arbre par un élément de transfert multiplicateur de vitesse. 14. Détendeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que sur les surfaces internes du rotor (1), de la chambre (2), de la chambre d'arrivée (18) du tuyau d'arrivée (19) et du tube de circulation (22) sont posées des gaines de "métal céramique" ou bien les pièces indiquées sont fabriquées entièrement en "métal céramique" ou autre métal ayant un coefficient de transfert de chaleur réduit. 15. Détendeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que dans la chambre d'arrivée (18) ou bièn dans le tuyau (19) est monté une bougie (25) ou un autre type de réchauffeui'électriquë pour la combustion complète des produits non brûlés présents dans les gaz d'échappement. 16. Détendeur selon l'une quelconque des revendications i à 15, caractérisé en ce qu'il est appliqué sur les machines thermiques telles que les moteurs à combustion interne, turbins à vapeur, turbines à gaz, moteur à propulsion et similaires avec combustion.