Brevet FR2622923A1 — publié le 19890512

i La présente invention concerne de façon générale les moteurs et, plus particulièrement, les moteurs mixtes à turbine comprenant un moteur à charge stratifiée ou un moteur rotatif à combustion interne à cycle Diesel combinés à un moteur à turbine. On a déjà proposé un grand nombre de moteurs mixtes comprenant deux moteurs de types différents qui sont couplés l'un à l'autre en procurant une sortie commune. Ces moteurs mixtes offrent de nombreux avantages dans certaines applications. Par exemple, dans certaines conditions de fonctionnement, l'un des deux types de moteur a un rendement particulièrement élevé pour certaines conditions de fonctionnement tandis que, inversement, le moteur de l'autre type a son meilleur rendement pour d'autres conditions de fonctionnement. De la sorte, l'un des types de moteur complète l'autre type pour procurer le meilleur rendement de moteur sur toute la gamme des conditions de fonctionnement du moteur mixte. La Demanderesse ne connait cependant pas de moteur à combustion interne Diesel rotatif turbocompressé qui ait été associé avec succès à un moteur à turbine dont on peut régler le régime par un papillon de gaz. Un tel moteur mixte offrirait de nombreux avantages dans les applications o le poids et la taille sont critiques, comme dans le cas des moteurs d'avion. - La présente invention a pour objet un moteur mixte à turbine, comprenant un moteur à combustion interne rotatif à charge stratifiée o à cycle Diesel et un moteur à turbine, qui soit de taille et de poids réduits tout en ayant cependant un rendement de fonctionnement très élevé sur une large gamme de conditions de fonctionnement du moteur. Brièvement, le moteur mixte à turbine de la présente invention comporte un moteur à combustion interne rotatif à charge stratifiée ou à cycle Diesel. Le moteur à combustion interne comporte un carter et une chambre de combustion située à l'intérieur de ce carter, avec un orifice d'admission et un orifice d'échappement. Un piston rotatif est monté tournant à l'intérieur de la chambre de combustion et, lorsqu'il est entraîné en rotation par la combustion du moteur, entraîne en rotation un premier arbre de sortie. Le moteur mixte comprend également un moteur à turbine comportant un compresseur de turbine, une roue à aubes de turbine et une turbine ou un second arbre de sortie qui relie mécaniquement ensemble le compresseur et la roue à aubes de turbine. Une chambre de combustion est en communication de fluide série entre la sortie du compresseur et l'entrée de la roue à aubes de turbine, et elle est également en communication avec une source de carburant. En fonctionnement, lors de la rotation de l'arbre de turbine, le compresseur fournit de l'air comprimé à la chambre de combustion, et cet air comprimé, mélangé avec le carburant injecté dans la chambre de combustion, est enflammé. Les produits de combustion résultants provenant de l'échappement de la chambre de combustion traversent la roue à aubes de turbine pour entraîner en rotation la roue à aubes et, de la sorte, entraînent en rotation le compresseur par l'intermédiaire de l'arbre de turbine. L'orifice d'admission de la chambre de combustion du moteur à combustion interne est en communication de fluide avec un passage diffuseur s'étendant entre le compresseur de turbine et le moteur à combustion, de sorte que le compresseur de la turbine fournit de l'air comprimé non seulement à la chambre de combustion de la turbine, mais également à la chambre de combustion du moteur à combustion interne. En outre, l'orifice d'échappement de la chambre de combustion du moteur à combustion interne est également en communication de fluide avec la chambre de combustion de la turbine. En conséquence, l'énergie s'échappant du moteur à combustion interne est au moins partiellement récupéré par le moteur à turbine. L'arbre de turbine et l'arbre de sortie du moteur à combustion interne sont mécaniquement ou hydrostatiquement reliés ensemble, de sorte que ces deux arbres de sortie tournent en synchronisme l'un avec l'autre. Du fait que l'arbre de sortie de la turbine tourne nécessairement à une vitesse plus élevée que l'arbre de sortie du moteur à combustion interne, un ensemble à train réducteur, comme par exemple à train planétaire, est interposé entre les arbres de sortie de manière à faire concorder leurs vitesses de rotation. Une transmission à variation continue est utilisée pour relier mécaniquement ou hydrostatiquement ensemble l'arbre de la turbine et l'arbre de sortie du moteur à combustion interne, et cette transmission à variation continue est ensuite utilisée pour entraîner un arbre tournant du moteur mixte à turbine, comme par exemple une hélice de turbopropulseur. Ceci permet d'obtenir en sortie un couple et une vitesse relativement constants sur une large gamme de conditions de fonctionnement du moteur. Dans la forme préférée de la présente invention, un papillon est placé dans le passage diffuseur, immédiatement en amont de la chambre de combustion du moteur à turbine. Ce papillon est mobile entre une position fermée et une position ouverte. Dans la position fermée, le papillon dévie vers le moteur à combustion interne la plus grande part du flux d'air comprimé passant dans l'ensemble diffuseur, de manière que ce moteur à combustion interne produise la plus grande part de la puissance de sortie du moteur mixte à turbine. Inversement, lorsque le papillon est en position complètement ouverte, la plus grande part du flux d'air comprimé passant dans le passage diffuseur est déviée vers la chambre de combustion du moteur à turbine, au lieu de l'être vers la chambre de combustion du moteur à combustion interne. Dans ce cas, c'est le moteur à turbine qui produit la plus grande part de la puissance de sortie du moteur mixte à turbine En outre, on peut faire varier l'ouverture du papillon entre sa position complètement fermée et sa position complètement ouverte, de manière à faire varier les proportions respectives des puissances de sortie du moteur mixte fournies respec- tivement par le moteur à combustion interne et le moteur à turbine. En pratique, le papillon est pratiquement fermé pour les faibles vitesses du moteur, ce qui correspond mieux au fonctionnement du moteur à combustion interne, et il est ouvert pour les vitesses de fonctionnement les plus élevées, vitesses auxquelles le moteur à turbine fonctionne avec un meilleur rendement que le moteur à combustion interne. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessin unique annexé, qui est une vue en coupe schématique longitudinale illustrant un mode de réalisation préféré de la présente invention. En référence à cette figure, on a représenté un mode de réalisation préféré du moteur mixte à turbine 10 de la présente invention, qui comprend à la fois un moteur à turbine 12 et un moteur à combustion interne 14. On décrira en détail aussi bien le moteur à turbine 12 que le moteur à combustion interne 14. Le moteur à turbine 12 comporte un compresseur 16 et une roue à aubes de turbine 18, qui sont coaxiaux mais placés à distance l'un de l'autre. Un arbre de sortie de turbine 20 relie en relation d'entraînement le compresseur de turbine 16 à la roue à aubes de turbine 18, de sorte que la roue à aubes 18 et le compresseur 16 tournent l'un et l'autre exactement à la même vitesse. Un passage diffuseur 22 met une sortie sous pression 24 du compresseur 16 en communication de fluide avec l'orifice d'admission 26 de la chambre de combustion 28 du moteur à turbine. Une source de carburant 30 est également en communication de fluide avec la chambre de combustion 28, des moyens classiques (non représentés) étant utilisés pour enflammer un mélange carburant/air dans la chambre de combustion 28. Un passage de buse de turbine 32 met ensuite l'orifice d'échappement 34 de la chambre de combustion 28 en communication de fluide avec un orifice d'admission de la roue à aubes de turbine 18. De préférence, un système à buse variable 36 est disposé dans le passage de buse 32 pour faire varier les caractéristiques aérodynamiques de celui-ci. Le passage diffuseur 22, la chambre de combustion 28 et le passage de buse 32 constituent ensemble des moyens formant un passage de fluide entre le compresseur 16 et la turbine 18. De manière bien connue, le compresseur 16, lorsqu'il est entraîné en rotation, fournit de l'air sous pression à la chambre de -5 2622923 combustion 28 par l'intermédiaire du passage diffuseur 22. La carburant provenant de l'alimentation en carburant 30 est également introduit dans la chambre de combustion 28 et enflammé. Les produits de combustion chauds et en expansion provenant de la chambre de combustion 28 s'échappent alors par le passage de buse 32 puis par la roue à aubes 18, entraînant de cette manière en rotation la roue à aubes de turbine 18. Ces produits d'échappement finissent par sortir par l'échappement 38, procurant une poussée supplémentaire pour le moteur à turbine 12. Le moteur à combustion interne 14 comporte un carter ou bloc moteur 40 comprenant au moins une chambre de combustion, et de préférence deux chambres de combustion 42. De plus, chaque chambre de combustion 42 est conçue de manière à recevoir un piston rotatif 44 tel qu'un rotor Wankel. Chaque piston rotatif 44 est relié mécaniquement à un arbre de sortie 46 en forme de manchon, coaxial à l'arbre de sortie de la turbine. En outre, comme illustré sur la figure, l'arbre de sortie 20 de la turbine s'étend sur toute la longueur de l'arbre de sortie 46 en forme de manchon, de sorte que le compresseur de turbine 16 est situé à l'une des extrémités de l'arbre manchon 46, la roue à aubes de turbine 18 étant située au voisinage de l'autre extrémité de l'arbre manchon 46. En variante, la roue à aubes de turbine 18 et le compresseur de turbine 16 peuvent être situés à proximité l'un de l'autre, et l'arbre de sortie 20 de la turbine peut s'étendre coaxialement à l'arbre de sortie rotatif en forme de manchon 46. Un passage d'admission 47 met chaque chambre de combustion en communication de fluide avec le passage diffuseur 22. En conséquence, le compresseur 16 produit de l'air chaud fortement comprimé en direction des chambres de combustion 42. Chaque chambre de combustion 42 est également alimentée en carburant Diesel ou en carburant de réacteur par une source de carburant 48. Chaque chambre de combustion 42 comporte en outre un orifice d'échappement 50 qui est communication de fluide, par l'intermédiaire d'un passage d'échappement 52, avec la chambre de combustion 28 du moteur à turbine. En fonctionnement, le compresseur de turbine 16 fournit de l'air chauffé et fortement comprimé aux chambre de combustion 42 par l'intermédiaire du passage diffuseur 22 et des passages d'admission des chambre de combustion 47. Simultanément, on fournit à chaque chambre de combustion 42 le carburant provenant de la source 48 de carburant Diesel ou de carburant de réacteur, carburant qui s'auto-allume ou est allumé au cours du cycle de compression par activation en séquence d'une pluralité de bougies d'allumage placées dans la chambre 42. L'allumage stratifié ou l'auto-allumage du carburant Diesel 48 à l'intérieur des chambres de combustion 42 entraîne en rotation l'arbre manchon 46 d'une façon bien connue. L'arbre manchon de sortie 46 est relié mécaniquement à une transmission à variation continue 56 par un ensemble 58 à couronne d'engrenage. De la même façon, l'arbre de sortie 20 de la turbine est relié mécaniquement à la transmission à variation continue par un ensemble à train planétaire 60 (illustré seulement de façon schématique) qui peut être de tout type classique connu. L'ensemble à train planétaire 60 réduit la vitesse de rotation transmise par l'arbre de turbine à la transmission à variation continue 56 de manière qu'elle corresponde à la vitesse de rotation de l'arbre manchon 46. En général, on a besoin d'une réduction de vitesse par l'ensemble à train planétaire 60 comprise entre 6:1 et 15:1. La transmission à variation continue 56 peut être soit de type mécanique soit de type hydraulique de manière à accoupler mécaniquement ou, de préférence, hydrostatiquement ensemble l'arbre manchon de sortie 46 et l'arbre de sortie 42 de la turbine de manière qu'ils tournent en synchronisme l'un avec l'autre. La transmission à variation continue 56 entraine ensuite en rotation un arbre de sortie 62 qui lui-même entraîne une hélice de turbopropulseur 64 ou un organe analogue. Un papillon 66 est placé dans le passage diffuseur 22 entre la chambre de combustion 28 et les passages d'admission 47 du moteur à combustion interne. Le papillon 66 est mobile entre une position fermée, illustrée en trait plein, et une position 7 2622923 ouverte, illustrée en tiretés. En position fermée, le papillon dévie la plus grande part du flux d'air comprimé passant dans le passage diffuseur 22 vers les chambre de combustion 42 du moteur à combustion interne 14. Inversement, en position ouverte, le papillon 66 permet à la plus grande partie du flux d'air comprimé passant dans le passage diffuseur d'entrer directement dans la chambre de combustion 28, en évitant les chambres de combustion 42. En pratique, on commande la position de ce papillon 66 par un microprocesseur ou une unité centrale de traitement, ou un module de commande électronique qui mesure les paramètres du moteur et réalise un asservissement en boucle fermée commandant le flux d'air et le flux de carburant, afin de contrôler le partage de la charge entre les deux parties du moteur et de contrôler ainsi que la vitesse et le couple de sortie finals ont les valeurs souhaitées. En pratique, le moteur mixte à turbine de la présente invention offre un nombre important d'avantages par rapport aux moteurs antérieurs. En particulier, le papillon 66 permet de faire varier le rapport de la puissance de sortie du moteur à turbine par rapport à celle du moteur à combustion interne en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. De la sorte, on peut obtenir un excellent rendement de fonction- nement du moteur sur une large gamme de conditions de fonctionnement différentes. Un autre avantage de la présente invention tient au fait que l'échappement du moteur à combustion interne 14 constitue une entrée de la chambre de combustion 28 du moteur à turbine. Ceci permet, au moins partiellement, de récupérer l'énergie thermique d'échappement du moteur à combustion interne 14 au bénéfice du moteur à turbine. Il en résulte donc un rendement de fonctionnement plus élevé du moteur. Un autre avantage de la présente invention est que le moteur mixte à turbine est de construction relativement compacte et légère. Ceci est particulièrement avantageux pour les applications o le poids et la taille sont critiques, notamment dans le cas des moteurs d'avion. REVENDICATIONS 1. Un moteur mixte à turbine (10), caractérisé en ce qu'il comprend: - un moteur à combustion interne rotatif (14) à cycle Diesel avec un premier arbre de sortie (46), - un moteur à turbine (12) avec un second arbre de sortie (20), - des moyens de liaison, pour relier ensemble ces arbres de sortie de manière qu'ils tournent en synchronisme l'un avec l'autre, et des moyens, entraînés par ces moyens de liaison, pour réaliser une sortie rotative du moteur mixte à turbine. 2. Le moteur mixte à turbine de la revendication 1, dans lequel les moyens de liaison comprennent un ensemble à train planétaire (60). 3. Le moteur mixte à turbine de la revendication 1, dans lequel les moyens de liaison comprennent un accouplement hydrostatique (56). 4. Le moteur mixte à turbine de la revendication 1, dans lequel les moyens de liaison comprennent une transmission à variation continue (56) avec des moyens pour synchroniser les vitesses du premier et du second arbre de sortie. 5. Le moteur mixte à turbine de la revendication 4, dans lequel la transmission (56) comprend un accouplement fluidique. 6. Le moteur mixte à turbine de la revendication 1, dans lequel le moteur à turbine (12) comprend une turbine (18), un compresseur (16), une chambre de combustion (28) et des moyens de conduction de fluide (22,32) pour mettre la chambre de combustion en communication de fluide en série entre la turbine et le compresseur, et dans lequel le moteur à combustion interne comprend une chambre de combustion (42) avec un orifice d'admission (47) et un orifice d'échappement (52), ce moteur mixte comprenant: - des moyens, entre le compresseur et la chambre de combustion du moteur à combustion interne, pour mettre l'orifice d'admission de la chambre de combustion du moteur à combustion interne en communication de fluide avec lesdits moyens de conduction de fluide et - des moyens pour mettre l'orifice d'échappement de la chambre de combustion du moteur à combustion interne en communication de fluide avec la chambre de combustion du moteur à turbine. 7. Le moteur mixte à turbine de la revendication 6, comprenant des moyens formant valve (66) pour répartir de manière variable, entre la chambre de combustion du moteur à turbine et l'orifice d'admission de la chambre de combustion du moteur à combustion interne, le flux de fluide passant dans les moyens de conduction de fluide. 8. Le moteur mixte à turbine de la revendication 1, dans lequel les arbres de sortie (20,46) sont coaxiaux. 9. Le moteur mixte à turbine de la revendication 8, dans lequel l'un des arbres de sortie (46) comprend un manchon, et dans lequel l'autre arbre de sortie (20) est au moins partiellement logé à l'intérieur de ce manchon. 10. Le moteur mixte à turbine de la revendication 9, dans lequel c'est l'arbre de sortie du moteur à combustion interne qui est constitué par le manchon, l'arbre de la turbine s'étendant entièrement à l'intérieur de ce manchon. 11. Le moteur mixte à turbine de la revendication 1, dans lequel l'arbre de turbine tourne, sur toute la gamme des conditions de fonctionnement du moteur mixte à turbine, à une vitesse six à quinze fois plus élevée que celle de l'arbre de sortie. 12. Un moteur mixte à turbine (10), caractérisé en ce qu'il comprend: - un moteur à combustion interne à charge stratifiée (14) avec un premier arbre de sortie (46), - un moteur à turbine (12) avec un second arbre de sortie (20), - des moyens de liaison, pour relier ensemble ces arbres de sortie de manière qu'ils tournent en synchronisme l'un avec l'autre, et - des moyens, entraînés par ces moyens de liaison, pour réaliser une sortie rotative du moteur mixte à turbine. 13. Le moteur mixte à turbine de la revendication 12, dans lequel les moyens de liaison comprennent un ensemble à train planétaire (60). 14. Le moteur mixte à turbine de la revendication 12, dans lequel les moyens de liaison comprennent un accouplement hydrostatique (56). 15. Le moteur mixte à turbine de la revendication 12, dans lequel les moyens de liaison comprennent une transmission à variation continue (56) avec des moyens pour synchroniser les vitesses du premier et du second arbre de sortie. 16. Le moteur mixte à turbine de la revendication 15, dans lequel la transmission (56) comprend un accouplement fluidique. 17. Le moteur mixte à turbine de la revendication 12, dans lequel le moteur à turbine (12) comprend une turbine (18), un compresseur (16), une chambre de combustion (28) et des moyens de conduction de fluide (22,32) pour mettre la chambre de combustion en communication de fluide en série entre la turbine et le compresseur, et dans lequel le moteur à combustion interne comprend une chambre de combustion (42) avec un orifice d'admission (47) et un orifice d'échappement (52), ce moteur mixte comprenant: - des moyens, entre le compresseur et la chambre de combustion du moteur à combustion interne, pour mettre l'orifice d'admission de la chambre de combustion du moteur à combustion interne en communication de fluide avec lesdits moyens de conduction de fluide et - des moyens pour mettre l'orifice d'échappement de la chambre de combustion du moteur à combustion interne en communication de fluide avec la chambre de combustion du moteur à turbine. 18. Le moteur mixte à turbine de la revendication 17, comprenant des moyens formant valve (66) pour répartir de manière variable, entre la chambre de combustion du moteur à turbine et l'orifice d'admission de la chambre de combustion du moteur à combustion interne, le flux de fluide passant dans les moyens de conduction de fluide. 19. Le moteur mixte à turbine de la revendication 12, dans lequel les arbres de sortie (20,46) sont coaxiaux. 20. Le moteur mixte à turbine de la revendication 19, dans lequel l'un des arbres de sortie (46) comprend un manchon, et dans lequel l'autre arbre de sortie (20) est au moins partiellement logé à l'intérieur de ce manchon. 21. Le moteur mixte à turbine de la revendication 20, dans lequel c'est l'arbre de sortie du moteur à combustion interne qui est constitué par le manchon, l'arbre de la turbine s'étendant entièrement à l'intérieur de ce manchon. 22. Le moteur mixte à turbine de la revendication 12, dans lequel l'arbre de turbine tourne, sur toute la gamme des conditions de fonctionnement du moteur mixte à turbine, à une vitesse six à quinze fois plus élevée que celle de l'arbre de sortie.