Brevet FR2640317A1 — publié le 19900615

PISTON MULTIÉTAGÉ À SOUPAPES-FOURREAUX POUR UNE ALIMENTATION QUASI CONTINUE DE NONOCYLINDRES APPLICABLE NOTAMMENT A UNE POMPE ET A UN MOTEUR 2-TEMPS A COMPRESSION EXTERNE Préambule. Le rendement nettement meilleur des systèmes clos et alternatifs de type pompe, compresseur, moteurs thermiques, par rapport aux systèmes ouverts de type centrifuge ou axial, est en fait limité par 1) la mauvaise alimentation de la chambre, à cause de l'inertie de la colonne de fluide admis ou refoulé, 2) la limitation du temps moteur à 1/4 du cycle pour un 4-temps, ou 1/3 pour un 2-temps mais avec réduction des autres phases échappement-admission-compression;; même pour une pompe monocylindre à double effet, le débit de refoulement varie en sinusoTde avec deux minima à zéro; 3) des pertes dues au système de fermetures: lumières non adaptées à l'asy métrie des cycles; clapets, à forte inertie et limitant la vitesse de rotation; soupapes avec culbuteurs, arbre à cames et engrenages consommant de l'énergie mécanique, complexes et motteux. Le système décrit ci-après réduit ces trois inconvénients tout en réduisant l'encombrement et lé poids du système global. Le problème des pompes et compresseurs étant un sousensemble de celui du moteur thermique, nous décrirons notre système sur ce dernier type de machine.Réaliser l'admission et la compression de l'air dans la chambre même où ont lieu combustion, détente et refoulement des gaz brûlés est peu efficient: 1) Dans ce milieu surchauffé l'admission, déjà mauvaise à cause de la vitesse nulle de départ de la colonne d'air, en est encore réduite; 2) pour les même raisons de température moyenne des parois il n'est pas possible de refroidir la masse d'air nouvellement admise pendant sa compression; 3) ces temps d'admission-compression prennent la place d'un temps-moteur-refoulement, ou bien toutes les phases du cycle sont écourtes.Mais si on cherche à réaliser les deux phases admissioncompression à l'extérieur de la chambre de combustion-refoulement, on se heurte alors à quatre problèmes: 1) Le transfert d'air préalablement comprimé juste avant le PMH prend unecertaine durée, de 20 à 30-, ce qui représente un espace mort important, et en fin de compte on ne peut éviter une réduction de moitié de la pression, soit autant de travail perdu; 2) cette décompression et baisse de la température pose un problème de condensation du combustible pulvérisé alors meme qu'il faut le réchauffer; 3) ce temps de levée de soupape, au voisinage du PMH qui plus est, demande une came à profil très aigU, ce qui pose des problèmes à haute vitesse de rotation; 4) l'espace mort de la chambre de compression et du canal de transfert ne pouvant être négligeable, le compresseur doit être de cylindrée supérieure à celle de la chambre de combustion; si la chambre de compression est constituée par le "double-effet" du piston, le pied de celui-ci réduit encore plus cette cylindrée qu'il faudrait augmenter. Notre système est conçu pour résoudre ces quatre problèmes, notamment le dernier, car c'est l'absence d'un compresseur de dimension semblable au système moteur qui justifie réellement sa non-utilisation en tant que deuxième cylindre-moteur. En conclusion, notre système permet: 1) pour un compresseur, une admission de gaz sans inertie de la colonne dans la tubulure et sans inertie des clapets rendus inutiles; la vitesse de rotation peut ainsi être plus élevée; par ailleurs le débit est réglable; 2) pour une pompe,outre ces avantages, le débit de refoulement est plus régulier; la petitesse de son alésage permet son emploi dans les tubes de forage aux débits utiles avec transmission hydraulique pour mise à haute pression de fluides chargés; 3) pour un moteur à combustion interne, la meilleure efficacité des phases admission-compression est utilisée pour alimenter le cylindre à chaque PMH, ctest-à-dire deux fois plus qu'un 4-temps, sans confusion et écourtement des phases comme sur un 2temps classique, et ceci avec une suralimentation éventuelle sans augmentation de la pression maximale par rapport à une non-suralimentation. Les figures 1 et 2 sont les projections en coupe des secteurs kl (piston à PIH) et pm (pour la fig.2 en PMB) du plan représenté en fig.4 au niveau de la chambre V, et, en pointillés, de la chambre I. La figure 3 est la projection sur un plan de l'embiellage en position de 90-. La figure 5 représente les différentes phases du cycle pour les chambres I, II, III, IV et V isolées par la tête de piston Q), le pistonnet , le deuxième étage du piston h, ltopercule solidaire du cylindre O , et le pied du piston d.Grandes rayures descendantes (vers la droite): combustion et détente - Grandes horizontales: échappement et refoulement des gaz brillés - Grandes obliques montantes: admission -Doublement de ces rayures: hauteur d'ouverture des tubes-soupapes d'admission en chambre III, II, V, IV, puis de nouveau III, pour 360 pour les tubes et O (moitié supérieure de la figure); pour la moitié inférieure (tube &commat;) admission en chambre IV par lumière haute (sur lumière fixe haute du tube-piston), puis chambre V par lumière basse (sur lumière fixe basse), puis encore V par lumière haute (sur lumière fixe haute) - Croix espacées: très faible compression -Croix serrées: compression - Horizontales serrées: temps de transfert 1) de la chambre III à la chambre IV par le transfert S; ; 2) de la chambre IV au transfert d'attente p ; 3) de p en chambre I; 4) de II en I par le transfert k ; 5) de V en I par le transfert p. Description. Notre système est conçu pour un alésage unique, quoiqu'il n'exclue pas par principe un bi-alésage pour un usage de pompe ou compresseur supplémentaire sur le même pied de bielle. Le piston est à double-effet par principe, mais le surcoût d'un triple effet étant alors très réduit, c'est sur la base d'un triple-effet que nous décrirons notre système. Le piston lui-même (haut du piston donc) est constitué de deux faces (1' et 20 étages) séparées par des tubes (3 sur notre figure). Un pistonnet de faible épaisseur glisse le long de ces tubes et du cylindre lui-même, relié par une biellette par l'intermédiaire d'un coulisseau guidé au niveau du 2- étage h et du 3- étage (pied du pistonavec axe de bielle ).Ce pistonnet donc l'espace interne du haut du piston comme une chambre de compression supplémentaire à double effet. Nous avons donc en fait 5 chambres: I - la chambre de combustion normale au dessus du le étage du piston Qg, II - la chambre située entre ce le étage et le pistonnet, III - la chambre située entre ce pistonnet et le 2 étage du piston h, IV - la chambre dite de double-effet entre ce 2 étage et l'opercule solidaire du cylindre i, V la chambre de triple-effet entre cet opercule et le pied (3 étage d) du piston. Le pistonnet peut fonctionner de façon asymétrique, dit de retourrapide, avec décentrement de l'axe de translation de la tête de la biellette par rapport au vilbrequin.Pour réduire l'inconvénient de ce décentrement, la biellette est à coulisse, ctest-à-dire de longueur variable. Etant donné la légèreté du pistonnet ce mécanisme suffirait à réaliser la redescente, même à haute vitesse. Nais pour utiliser le double-effet du pistonnet (travail de compression durant la descente) il faut que le pistonnet soit poussé, et non tiré par la biellette, d'autant que le décentrement du coulisseau par rapport au centre du pistonnet, qui se traduit par une force horizontale de serrement vers la gauche, contrebalancé en montée par la composante horizontale vers la droite de la tête de biellette, s'ajoute en descente en serrement vers la droite. Si le pistonnet est poussé, la tête de biellette serre à gauche, enculant les deux effets de décentrements. Un des tubes 1 qui relient le 1 datage au 2 sert de chambre de transfert depuis la chambre de combustion, par l'intermédiaire du transfert de façon à utiliser les gaz en expansion après combustion pour mouvoir le coulisseau2) suralésé, par rapport au piston. L'equilibre des pressions gaz de détente plus inertie dynamique -air comprimé oblige, si on ne veut pas faire travailler la biellette à coulisse, à perdre une partie de la course, et donc de la cylindrée des chambres II et III.Ce système joint à 11 angle du maneton du vilbrequin permet de décaler les phases de compression en chambre III mais surtout Il, par rapport aux chambres I, IV et V à vitesses de refoulement nulles en PLE et PMB. Les deux tubes Q9Q3 reliant les étages 1, 2 et 3 du piston sont ajourés de lumières et contiennent chacun un tube, également ajouré d'une lumière, coulissant de concert, pour faire office de soupapes d'admission. Ces tubes-soupapes sont mus par une petite biellette 0 à coulisse décentrée en retour-rapide, avec maneton décalé à la fois par rapport à la bielle et à la biellette du pistonnet.Ceci permet d'alimenter en relai quasi continu sur les 360- les chambres III, II, éventuellement V, et enfin IV, puis de nouveau III, etc... On supprime ainsi le retard d'alimentation de chaque chambre dd d'habitude à l'inertie de la colonne d'air admis depuis une vitesse nulle. Pour l'interruption maximale de 20 au PMB, l'inertie dynamique de la colonne d'air joue positivement en compression. La chambre V est alimentée en complément par un troisième tube-soupape iD coulissant dans le bas du tube cet relié aux deux autres tubes-soupapes.Un des tubes-soupapes,ou ltensemble,peut être monté sur un ressort taré au maximum de pression toléré avant le PLE en chambres I et II, par l'intermédiaire de la chambre II, juste fermée en P > E. La haute vitesse du pistonnet au voisinaSe du PMH du piston et encore plus haute vitesse des tubessoupapes au même moment permettent d'obtenir un effet de soupape de sécurité avec un minimum inertie, pour désamorcer une très haute pression intempestive par combustion avancée avant le PMH, avec échappement d'urgence par le tube-soupape d'admission via les chambre II et III.A noter que le pistonnet et les tubes-soupapes, décrits ici corme actionnés par deux biellettes, pourraient ltêtre par un système plus classique de cames. Comme il faut limiter au maximum la cylindrée des transferts (espaces morts) un seul long tube de transfert & stock, à soupape q solidaire de la monosoupape d'échap pement 0 , fermée quand cette dernière est ouverte, puis permet le transfert en chambre I (q ouverte quand 23 fermée) de l'air comprimé en chambre III, préalablement transféré en chambre IV par le très court transfert Q,s et en chambre IV, entre environ -40 à -20' avant le PMa0 Ce long transfert est un tube à ailettes au sein de la tubulure d'échappement et l'air comprimé avec refroidissement(dans le bas du cylindre aux parois toujours froides) pour économiser du travail, récupère pendant les environ 180e de la phase d'échappement les calories (température et pression) qui seront perdues lors de l'envahissement de la chambre I malgré la présence de la partie des gaz d'échappement (très chauds) qui ntont pas eu le temps d'être refoulés. L'air de la chambre II, isobare pendant la majeure partie du cycle, a le temps d'évacuer par refroidissement depuis les parois du cylindre la chaleur transmise par le piston Os ; cet air est ensuite brutalement comprimé et expulsé vers la chambre I par le très court transfert , à contre-cou-rant du combustible très finement pulvérisé par un injecteur à téton Ot, la force de pénétration nécessaire étant réduite dans ces conditions à quelques millimètres seulement.Pour un cycle Diésel à faible taux de compression volumétrique (qui met le mieux à profit notre système, mais un cycle à explosion ou Diésel à forte compression sont aussi possibles) ceci permet de réaliser à la fois une pulvérisation et mélange quasi-idéaux dans environ 1/3 de l'air et une pression maximale limitée par une combustion en partie à pression constante. Le transfertg3 sert à la fois de boule chaude avec éventuellement bougie de préchauffage pour le démarrage, et d'accumulateur d'air.La chambre V permet de suralimenter fortement la chambre I, par l'intermédiaire du même transfert4y rempli d'air déjà comprimé, et donc sans perte de travail, obturé de -20' à +20 PtIH environ par le piston QJ, avec une injection de combustible (injecteur à aiguille Ou pour pénétration sur une longue distance) d' environ zéro P1tH à +20 , ceci de façon à ce que la suralimentation se fasse à pression constante, entre +20' et +40e, pour ne pas augmenter les contraintes thermiques et mécaniques. La présence du deuxième injecteur permet de n'utiliser la suralimentation que si on le désire expressément. En cas de très haute vitesse de rotation, l'injection peut se faire dans le transfert Q) avant -20 si le délai d'allumage, qui limite d'ordinaire la vitesse de rotation des Diésels, l'éxige: dans ce cas en effet il n'y a plus de problème de baisse de la température au moment du transfert. La soupape de culasse (échappement) étant unique, elle peut être de grande dimension pour une vitesse de rotation très élevée. Centrée et verticale, sa commande en est très simplifiée: un portique en U renversé 0 suit les profils identiques de deux cames 60 accolées aux flasques du vilbrequin (cames-rainures ou l'inverse, avec une double roulette 0). Pour une pompe, le refoulement peut se faire par des tubessoupapes dédoublant les tubes d'admission et solidaires de la même commande: seuls les emplacements des lumières sont différents pour ces tubes. Ce refoulement est moins continu que 11 admission, mais nettement plus que dans une pompe alternative classique, à cause du décalage des chambres III et surtout II. Revendications. 1 - Un système piston-cylindre conçu pour être alimenté de façon quasi continue, c'est-à-dire pendant plus de 90% de la durée du cycle pour une même tubulure d'admission principale (1 et m), est caractérisé en ce qu'il comporte 1) un piston à chambres multiples pour un même cylindre: double ou triple effet (chambres I, IV et V) plus deux chambre. dans le piston luimême (II et III); 2) un pistonnet f se mouvant dans le piston lui-même, respectivement plancher et plafond des deux chambres internes au piston Cîz et III), animé soit par une came soit par une biellette O avec décentrement de l'axe de translation de sa tette et avec, éventuellement, son PMH décalé par rapport au système bielle-piston.La biellette est à coulisse pour éviter le serrement dû au décentrement, et le travail en extension lui est évité gracie à une poussée sur le pied du pistonnet i3par le gaz ou fluide en pression motrice, obtenue par une communication entre pied du pistonnet et chambre-moteur (I, par j). 3) un ou plusieurs tubes d'admission m l o ou "soupapes-fourreaux", coulissant dans les tubes-armatures reliant les différents étages g h d du piston eux-même ajourés de fenêtres, animés par came ou par une biellette à coulisse, avec décentrement de l'axe de translation de sa tête par rapport aux deux systèmes bielle-piston et biellette.pistonnet, et décalage de son PMH 6) .Cet agencement permet aux soupapes-fourreaux d'opérer en continu, en alimentant en relai les différentes chambres concernées (III, II, V, IV puis de nouveau III, etc...) avec des interruptions à peine perceptibles (quelques degrés sur 360v), ce qui tend à supprimer le délai d'admission par inertie de la colonne de fluide ou gaz, d'ordinaire à vitesse nulle au moment de l'ouverture de l'admission. 2 - Un système piston-cylindre caractérisé en ce que le piston est à chambres multiples, avec un pistonnet se mouvant dans le piston lui-même, et muni de soupapes-fourreaux, réalise la fonction de pompe sans clapets, lumières ou soupapes classiques, par la simple utilisation 3'une~ou quelques unes des soupapes-fourreaux comme soupapes-fourreaux de refoulement; seules les lumières (deux au lieu d'une) sont à des hauteurs différentes1 par rapport aux soupapes-fourreaux d'admission. 3 - Un système piston-cylindre caractérisé en ce que le piston est à chambres multiples, avec un pistonnet se mouvant dans le piston lui-mEme, et muni de soupapes-fourreaux, réalise les fonctions d'un moteur à combustion interne 2-temps sans racourcissement de la phase de détente ni racourcissement et chevauchement des autres phases (échappement et refoulement, admission, compression) par rapport à un 4-temps, avec admission et compression à l'extérieur de la chambre de combustion en ce qu'il est caractérisé par chevauchement des autres phases par rapport à un 4-temps, avec admission et compression à l'extérieur de la chambre de combustion, en ce qutil est caractérisé par: 1) un piston multiétagé décrit en revendication 1 qui offre notamment une multiplicité de chambres de compression (II, III, IV et V) pour un même alésage de façon à obtenir une cylindrée totale supérieure à la chambre de combustion-détente (I), et des volumes d'air comprimé disponibles à des temps différents (III et IV en FFiB, il juste avant PMH et V en PMH); 2) un système de canaux de transfert qui minimise l'espace-mort qu'ils représentent: utilisation d'un transfert principal p pour trois chambres en deux temps successifs (III et IV à PMB et V en PMH), plus deux très courts transferts ( s de Code III à IV et de il à I).Le transfert principal p est situé au sein de la tubulure d'échappement sur quasiment toute sa longueur pour servir d'échangeur thermique à ailettes de façon à surchauffer l'air des chambres III et IV préalablement compressé en enceinte froide refroidie, de façon à récupérer par avance la baisse de température et pression qui suivront avec le transfert de cet air dans la chambre de combustion-détente (I) entre environ -40 à -20 Dra.Quoiqu'une petite soupape > solidaire de la soupape d'échappement 0 obture le transfert principal p pendant la pendant la phase d'échappement, ces transferts sont dépourvus de clapets ou de soupapes antirefoulement dans la mesure où leurs temps de fonctionnement en alimentation doivent titre très brefs et précis à grande vitesse de rotation; l'inconvénient de ce fait qu'ils communiquent les hautes pressions des gaz en combustiondétente sur le c8té du piston pour la surface de leur section est réduit par leurs situations a) en haut et en bas du piston, b) à gauche pour une rotation vers la droite de façon à stopposer à la force d'ovalisation (composante horizontale vers la droite de la tête de bielle) du système piston-cylindre; 3) un injecteur de combustible débouchant dans le très court transfert # de façon à ne mélanger ce combustible que dans un volume d'air séparé (environ 1/3 de la cylindrée) comprimé et explulsé à grande vitesse, en relai du premier transfert des deux premier tiers environ, entre environ -20* et F1E, de façon à éviter une condensation du combustible consécutive à une baisse de température. 4 - Un système piston-cylindre caractérisé en ce que le piston est à chambres multiples, avec un pistonnet se mouvant dans le piston lui-mme, et muni de soupapes-fourreaux, réalise les fonctions d'un moteur Diésel mixte, à grande vitesse de rotation et à pression maximale faible2 en ce qu'il est caractérisé par (en plus du fait que le taux de compression volumétrique est rela- tivement faible, de type "à boule chaude'l): 1) l'isolement de l'air comprimé en plusieurs chambres distinctes, décrites en revendication 1, intervenant les unes après les autres dans la chambre de combustion-détente gracie aux cannaux de transfert décrits en revendication 3: a) admission des 2/3 environ de la cylindrée en air pur comprimé, b) admission d'air et de combustible entre environ -20'et PMH (chambre II), correspondant au délai d'allumage aux vitesses de rotation moyennes, c) combustion à volume quasi constant puis à pression quasi constante au moment du mélange des deux masses d'air, d) admission de l'air contenu dans le canal-transfert Qm faisant ainsi office de "chambre d'accumulation", mais à ouverture différée dans le temps, entre environ 200 et 40 PMH; si la suralimentation est utilisée, un deuxième injecteur iD introduit le combustible supplémentaire dans le transfert p au sein de la masse d'air préalablement comprimée en chambre V, entre environ zéro et 20- PIH, donc en milieu protégé des hautes pressions de la chambre de combustion puisque le transfert p est alors fermé; ce mélange est admis dans la chambre de combustion au terme du délai d'allumage, entre environ 20' et 40 PMH; 2) le déphasage de la compression des environ 2/3 de l'air admis hors suralimentation, du fait de la disposition des chambres III et IV, qui permet d'obtenir les conditions d'auto-allumage bien avant les -20' PMH, et donc de réaliser l'injection dans le transfert principal (par l'injecteur u déjà décrit à propos de la suralimentation) entre -20- et plus de -100 P1E pour les vitesses de rotation à délai d'allumage supérieur à environ 200; ; 3) l'utilisation du système des soupapesfourreaux (décrit en revendication 1) comme soupape de sécurité contre une éventuelle haute pression intempestive avant le PES, grâce au montage d'une des soupapes-fourreaux ou de l'ensemble au niveau de la biellette à coulisse2 sur un ressort taré à la pression maximale de compression avant combustion, soustraite à la communication avec la chambre de combustion-détente juste au PMH, jusqu'à environ -20 PMH par fermc.ure du transfert O - chambre Il.