Brevet FR2655088A1 — publié le 19910531

La presente invention a pour objet un procede d'admission d'un gaz (ou d'une vapeur) sous pression susceptible de se detendre dans les cylindres d'un moteur à pistons et d'echappement du gaz étendu à basse pression ainsi que les culasses qui contiennent les mecanismes d'admission et d'échappement. On sait que le fonctionnement du moteur à vapeur est fondé sur un cycle qui se répète à chaque tour de vilebrequin faisant se succéder les phases suivantes : admission de la vapeur à haute pression pendant une partie de la course du piston du point mort haut vers le point mort bas, suivi d'une detente pendant le restant de la course jusqu'au point mort bas, puis, après ouverture de l'orifice d'echappement, balayage de la vapeur à basse pression pendant la course retour du piston vers le point mort haut. Différents mécanismes asservis à la position du piston existent pour commander les organes d'admission de la vapeur à haute pression et d'échappement de la vapeur detendue avec généralement des mouvements d'anticipation tels qu'avance à l'admission, avance à ltechappement etc... destines à contrebalancer les effets d'inertie des masses de fluide à mettre en mouvement. Ces mecanismes en forme d'excentrique et tiroir, d'excentriques et boisseaux oscillants, d'arbre à cames avec poussoirs et soupapes etc..., mettent en jeu des chaînes cinematiques qui partant du vilebrequin sont placees à ltexterieur du système principal, manivelle - bielle - piston et ont un encombrement important. On a pense utiliser un mécanisme loge dans la culasse comportant un organe d'admission de la vapeur à haute pression et un organe d'echappement de la vapeur detendue dont les séquences de mouvement sont commandes directement par la position du piston qui tantôt repousse un teton lorsqu'il arrive au voisinage de point mort haut - tantôt découvre des lumières dans la chemise du cylindre pendant sa course vers le point mort bas, ainsi qu'il sera explique plus loin. Les avantages de telles culasses à commande incorporée d'admission et d'echappement sont principalement les suivants: - pas de mecanisme suivant une chaine cinematique exterieure telle que excentrique et tiroir, arbres à cames avec poussoirs et soupapes etc... eux mêmes commandes par une prise de mouvement sur le vilebrequin. Cela entraîne une simplification considerable de la construction du moteur et simultanement une reduction importante de son encombrement, - possibilité de les implanter sur des mécanismes de compresseurs frigorifiques à pistons en lieux et places des boites à clapets en tête de cylindres de façon à transformer ces mécanismes en moteurs. Cette transformation permettra d'obtenir des moteurs de puissance modérée à carter étanche d'un prix accessible puisque pour leur plus grande partie ils bénéficieront du coût de fabrication en série des compresseurs frigorifiques et que seules les culasses spéciales à commandes incorporées et les adaptations sur les chemises seront usinées en petite série. Ces moteurs bénéficieront de la même souplesse d'utilisation que l'on connaît aux compresseurs frigorifiques puisque de la même manière, on pourra jouer sur le nombre des pistons, la vitesse de rotation, le réglage des soupapes pour les adapter aux différentes circonstances de pression à l'admission et de pression à l'échappement. Ces moteurs à carter étanche pourront, sans que cet exemple soit limitatif, être montés dans des installations de récupération de chaleur à température modérée par cycle de Rankine à fluide organique dont on connaît l'intérêt dans le cadre des économies d'énergie cu plus généralement de la maîtrise de l'énergie, mais dont on sait aussi qu'elles sont restées jusqu'à présent très peu nombreuses en raison du coût très élevé des échangeurs de chaleur et des turbines de petite puissance qui les équipent. En outre, ces moteurs dont l'arbre sortira du carter par une garniture mécanique pourront être accouplés sans difficultés à des récepteurs conventionnels tels que alternateurs, dynamos, pompes diverses, compresseurs etc... alors que l'utilisation des turbines oblige presque impérativement à recourir à la solution coûteuse de les accoupler à un alternateur par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse et à placer l'ensemble dans une enceinte étanche. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après qui se rapporte à un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématisés annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'une culasse conforme à l'invention montée sur une chemise où sont représentées les six séquences de fonctionnement, - la figure 2 représente le diagramme des pressions dans le cylindre en fonction de la course du piston, - la figure 3 représente le dispositif destiné à amortir le choc du boisseau d'admission en fin de course d'ouverture. - la figure 4 est la vue en coupe d'une culasse comportant une variante du mécanisme de commande du boisseau d'admission où sont représentées les trois séquences de l'admission. Conformément à l'invention et en faisant référence aux figures -1A - à - 1F - la culasse comporte un corps (1) dans lequel ont été aménagées les canalisations d'admission (2) pour le gaz (ou la vapeur) à haute pression et d'échappement (3) pour le gaz (ou la vapeur) détendu à la basse pression. L'organe d'admission est constitué par un boisseau (4) muni d'un téton qui coulisse dans une chemise (5) et dans le trou prévu à cet effet dans la plaque (7) rapportée sous le corps (I) et qui est repoussé par le ressort (6). La chemise (5) comporte dans la partie inférieure des lumièr2squi débouchent dans un espace annulaire en relation avec la canalisation d'admission (2). L'organe d'échappement est constitué par une soupape (10) liée à un piston (9) qui coulisse dans un cylindre (14) et qui est repoussée par le ressort (11). Le piston du moteur (15) un peu avant sa fin de course vers le point mort haut entre en contact avec le téton du boisseau (4) et le repousse vers le haut, libérant ainsi les lumières de la chemise (5) et permettant l'arrivée du gaz à haute pression. Dans un premier temps, ainsi qu'il est montré sur la figure 1A, le téton du boisseau (4) obture l'orifice prévu dans la plaque (7) et le gaz à haute pression passe dans la canalisation (8) pour alimenter la chambre située sous le piston (9). L'effort qui en résulte sur la face inférieure du piston (9) le repousse vers le haut en comprimant le ressort (11) et entraîne la soupape (10) en position de fermeture. Cette phase est appelée phase de préadmission. Elle marque aussi la fin de la phase d'échappement et de balayage du cycle précédent. Dans un deuxième temps, ainsi qu'il est montré sur la figure 1B, le gaz à haute pression repousse le boisseau (4) vers le haut en comprimant encore plus le ressort (6) et en libérant Poeiflce d'admission de la plaque (7) par où il peut exercer son action sur le piston. Cette phase constitue la phase d'admission. La figure 1C montre comment le piston du moteur (15) dans sa course vers le point mort bas découvre au passage des lumières percées dans la paroi de la chemise (16) qui permettent par la canalisation (12) de mettre en relation la chambre située au dessus du boisseau (4) avec la chambre au dessus du piston (15) où règne la haute pression. Les pressions sur les deux faces du boisseau (4) sont alors équilibrées et permettent au ressort (6) de repousser le boisseau vers le bas, obstruant ainsi l'admission du gaz à haute pression. Cela marque la fin de la phase d'admission. La figure 1D montre comment la masse de gaz admise à la phase d'admission se détend en repoussant le piston (15) vers le point mort bas. Cela constitue la phase de détente. Un peu avant d'atteindre le point mort bas, ainsi qu'il est montré sur la figure 1E, le piston (15) libère les lumières d'échappement (13) faisant ainsi chuter brutalement la pression dans le cylindre de détente. Simultanément, la pression baisse de la même manière dans la chambre située au dessus du boisseau (4) et dans la chambre située sous le piston (9) qui sont respectivement reliées au cylindre par le canal (12) et par le canal (8) et l'espace annulaire qui a été ménagé entre le téton du boisseau (4) et le trou cylindrique de la plaque (7). Le ressort (11) peut alors repousser vers le bas le piston (9) ainsi que la soupape (10) ce qui ouvre l'orifice d'échappement de la culasse. Cette phase constitue à la fois la phase d'échappement et la préparation à la phase de balayage. La figure 1F montre comment le piston du moteur (15) en remontant vers le point mort haut évacue alors le gaz détendu vers la canalisation d'échap pement (3) au travers de l'ouverture libérée par la soupape (10). Cela constitue la phase de balayage. La figure 2 donne l'allure du cycle théorique des évolutions de la pression en fonction de la course du piston ou encore en fonction du volume du cylindre au dessus du piston (15) dont la section est - S - et en tenant compte du volume mort - vO- du à la présence des cavités annexes et au fait que le piston doit disposer d'une certaine garde en fin de course vers le point mort haut pour ne pas taper dans la plaque (7). On y distingue - le point A correspondant à la phase de préadmission du gaz à haute pression - HP - et marquant la fin du balayage - l'évolution - B - qui constitue la phase d'admission - le point - C - qui marque la fin de l'admission. Le volume de gaz à haute pression admis est (vO + xS) où -x- désigne la course d'admission - l'évolution - D - qui constitue la phase de détente.Le volume occupé par le gaz en fin de détente est (vO + yS) où -y- désigne la course du piston au moment où il atteint les lumières d'échappement (13) un peu avant la fin de la course totale - ct -. Un choix judicieux des dispositions constructives doit être fait pour que le rapport volumétrique de détente (vO + yS) / (vO + xS) conduise après la détente polytropique - D - à une pression finale - Pe - supérieure à la pression du gaz à basse pression - BP - l'évolution - E - qui constitue l'essentiel de la phase d'échappement. Pendant cette phase le gaz se détend brutalement de la pression - Pe - à la pression - BP - en s'échappant par les lumières (13) - l'évolution - F - pendant laquelle l'échappement s'achève et qui constitue la phase de balayage du gaz à basse pression - BP -. I1 est clair que l'automatisme à séquence déclanché par le piston moteur a ses propres temps de réponse au niveau du boisseau d'admission et au niveau de la soupape d'échappement, ce qui entraîne une Iimitation de la vitesse de rotation du moteur. Une autre limitation de la vitesse est imposée en raison du choc entre le téton du boisseau (4) et le piston (15) du moteur lorsque ce dernier arrive au voisinage du point mort haut et qui doit rester aussi modéré que possible. Un point délicat concerne le boisseau (4) qui doit coulisser sur une course assez longue puisqu'il passe de la position où le téton est en saillie dans le cylindre à la position où le même téton ayant coulissé entièrement au travers de la plaque (7) se trouve nettement au dessus de cette plaque pour bien dégager l'orifice d'admission qui y est ménagé. La première partie de la course est réalisée par -l'effet de la poussée du piston (15) qui contrebalance la poussée du ressort (6). La seconde partie de la course est réalisée par l'effet de la force exercée par le gaz à haute pression qui est considérablement plus élevée que la force antagoniste du ressort (6). n en résulte un mouvement accéléré dont il convient de limiter la course à la stricte portion nécessaire pour empêcher que le boisseau n'atteigne une vitesse excessive. A cet effet, comme représentée sur la figure 3, une butée (17) fixée au couvercle du corps de la culasse (1) limite la course vers le haut du boisseau (4). Au cours du mouvement du boisseau (4) vers le haut, la tige de butée (17) pénètre avec un jeu de coulissement très faible dans le cylindre (18) disposé et maintenu dans le boisseau (4). Le gaz emprisonné dans le cylindre (18) est alors fortement comprimé et engendre un effort important sur le fond du cylindre (18) qui a pour effet de ralentir le boisseau (4) avant le choc contre la butée (17). Un autre moyen pour obtenir que le boisseau d'admission n'ait pas une vitesse excessive en fin de course d'ouverture consiste à séparer la fonction de préadmission exercée par le téton du boisseau et la fonction d'admission exercée par le corps du boisseau. A cet effet une variante du mécanisme d'admission a été établie. En faisant référence aux figures 4A, 4B et 4C, la culasse comporte un poussoir (19) usiné avec une gorge et qui peut coulisser dans un logement où débouchent à différents niveaux d'une part des lumières reliées à une canalisation d'admission à haute pression (20) et d'autre part les canalisations (8) et (22). Le poussoir (19) est maintenu en saillie dans la chambre du cylindre du moteur par le ressort (21). L'organe d'échappement est identique à celui décrit sur la figure 1 et comporte une soupape (10) liée à un piston (9) qui coulisse dans un cylindre (14) et qui est repousse par un ressort (11). L'organe d'admission est constitué par un boisseau (23) lié à un piston (24) qui coulisse dans une chemise (25) et qui est repoussé par un ressort (26). Le piston du moteur (15) un peu avant sa fin de course vers le point mort haut entre en contact avec le poussoir (19) et le repousse vers le haut permettant l'arrivée du gaz à haute pression depuis la canalisation (20) jusque sous le piston (9) en passant par la canalisation (8) et sous le piston (24) en passant par la canalisation (22). Alors, ainsi qu'il est montré sur la figure 4A, les efforts engendrées par le- gaz à haute pression sur les faces inférieures des pistons (9) et (24) les repoussent vers le haut en comprimant respectivement les ressorts (11) et (26) et entrainent respectivement la soupape (10) en position de fermeture et le boisseau (22) en position d'ouverture. Les lumières de la chemise (5) sont alors découvertes et le gaz à haute pression, à partir de la canalisation d'admission (2), peut pénétrer dans le cylindre du moteur.Cette phase marque la fin de la période d'échappement et de balayage du cycle précédent et le début de la période d'admission. La figure 4B montre comment le piston (15) ayant commencé sa course vers le point mort bas libère le poussoir (19) qui sous la poussée du ressort (21) vient reprendre sa position initiale en saillie dans la chambre du cylindre du moteur. Le gaz à haute pression dans cette chambre et qui provient de la canalisation (2) maintient les poussées vers le haut sous les pistons (9) et (24) grâce à l'espace annulaire usiné sur la paroi du poussoir qui autorise la communication avec la canalisation (8) et la canalisation (22). La figure 4C montre comment le piston du moteur (15) dans sa course vers le point mort bas découvre au passage des lumières percées dans la paroi de la chemise (16) qui permettent par la canalisation (12) de mettre en relation les chambres au dessus du boisseau (23) et au dessus du piston (24) avec la chambre au dessus du piston (15) où règne la haute pression. L'équilibre des pressions sur les deux faces du boisseau (23) et sur les deux faces du piston (24) permet au ressort (26) de repousser le boisseau (23) vers le bas, obstruant ainsi l'admissioFu gaz à haute pression. Cela marque la fin de la période d'admission. Les phases suivantes de détente, d'échappement et de balayage pour le mécanisme représenté sur la figure 4, sont identiques à celles qui ont été décrites précédemment en commentaire des figures 1D, 1E et 1F. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'admission d'une vapeur (ou d'un gaz) à haute pression susceptible de se détendre dans les cylindres d'un moteur à piston et d'échappement caractérisé en ce qu'il consiste - à repousser vers l'intérieur du corps (1) de la culasse au moyen du piston (15) au moment où ce dernier arrive au voisinage du point mort haut soit un poussoir (19) soit un téton lié au boisseau (4), le dit poussoir ou le dit téton étant maintenu normalement en saillie hors du fond de la culasse et dans la chambre du cylindre du moteur respectivement par un ressort (21) et par un ressort (6), permettant l'ouverture de lumières d'admission de vapeur à haute pression soit dans la chemise où coulisse le poussoir (19) soit dans la chemise où coulisse le boisseau (4), grâce à la présence d'une gorge appropriée taillée sur le poussoir ou le téton du boisseau - puis à envoyer, en passant par la gorge puis par une canalisation (8), de la vapeur à haute pression dans une chambre située sous un piston (9) repoussé par un ressort (11) et lié à la queue d'une soupape (10) ce qui a pour effet de comprimer un peu plus le ressort (11) et d'entraîner la soupape (10) en position de fermeture de l'orifice d'échappement marquant ainsi la fin de la phase de balayage de la vapeur détendue dans le cycle de fonctionnement du moteur. 2.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste - à continuer à faire déplacer le boisseau (4) vers l'intérieur de la culasse sous l'effet de la force exercée par la vapeur à haute pression qui est supérieure à la force antagoniste du ressort (6) permettant au téton de dégager l'orifice d'admission ménagé dans la plaque (7) - à permettre ainsi à la vapeur à haute pression arrivant par les lumières (27) d'alimenter la chambre du cylindre et repousser le piston (15) vers le point mort bas. 3.- Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il consiste - à ouvrir un premier groupe de lumières dans la chemise (16) du cylindre du moteur après une certaine course du piston (15) et lorsque le dernier les a juste dépassées dans son mouvement vers le point mort bas, lesquelles lumières sont reliées à une canalisation (12) - puis à alimenter en vapeur à haute pression par la canalisation appropriée (12) une chambre située au dessus du boisseau (4) ce qui entraîne que les pressions sont alors les mêmes de part et d'autre du boisseau qui est alors repoussé par le ressort (6) dans la position en butée sur un siège fermant ainsi les lumières (27) et marquant alors la fin de la phase d'admission et le début de la phase de détente dans le cycle de fonctionnement du moteur, et simultanément replaçant le téton en saillie hors du fond de la culasse. 4.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste, au moment où le poussoir (19) est enfoncé dans le corps de la culasse, - à envoyer, en passant par la gorge du poussoir et par une canalisation (22), de la vapeur à haute pression dans une chambre située sous un piston (24) repoussé par un ressort (26) et lié à la queue d'un boisseau (23) ce qui a pour effet de comprimer un peu plus le ressort (26) et d'entraîner le boisseau dans une position où il découvre les lumières (27) au travers desquelles la vapeur à haute pression alimente la chambre du cylindre moteur et repousse le piston (15) vers le point mort bas - à autoriser simultanément le ressort (21) à vaincre la force de pression exercée sur le poussoir (19) et le repousser en saillie dans la chambre du cylindre libérée du piston (15) qui s'est déplacé vers le point mort bas. 5.- Procédé selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce qu'il consiste - à ouvrir un premier groupe de lumières dans la chemise (16) du cylindre du moteur après une certaine course du piston (15) et lorsque ce dernier les a juste dépassées dans son mouvement vers le point mort bas lesquelles lumières sont reliées à une canalisation (12) - puis à alimenter en vapeur à haute pression par la canalisation appropriée (12) une chambre située au dessus du boisseau (23) et une chambre située au dessus du piston (24) si bien que les pressions étant alors les mêmes de part et d'autre du boisseau et de part et d'autre du piston, cet ensemble boisseau et piston se trouve repoussé par le ressort (26) dans la position dans laquelle le boisseau referme les lumières (27) marquant ainsi la fin de la phase d'admission et le début de la phase de détente dans le cycle de fonctionnement du moteur. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il consiste, au moment où le piston (15) arrive au voisinage du point mort bas, - à ouvrir un deuxième groupe de lumières dans la chemise (16) en relation avec la tubulure d'échappement à basse pression permettant la chute brutale de la pression dans le cylindre du moteur, ce qui marque la fin de la phase de détente et constitue l'essentiel de la phase d'échappement - puis, de façon presque simultanée, à faire chuter la pression dans la chambre située sous le piston (9), en relation avec le volume du cylindre du moteur par l'intermédiaire de la canalisation (8) et par l'intermédiaire de la gorge taillée ou bien sur le téton du boisseau (4) ou bien encore sur le poussoir (19), permettant alors l'action du ressort (11) qui en se détendant repousse le piston (9) et place ainsi la soupape d'échappement (10) en position d'ouverture - puis, de façon presque simultanée, à faire chuter de façon égale la pression dans la canalisation (12) ce qui entraîne la même chute de pression ou bien dans la chambre située au dessus du boisseau (4) ou bien dans les chambres situées respectivement au dessus du boisseau (23) et au dessus du piston (24) équilibrant par là même les pressions de part et d'autre de ces organes et préparant ainsi le bon déroulement ultérieur de la phase d'admission. 7.- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qutil consiste à faire remonter le piston du moteur (15) du point mort bas vers le point mort haut grâce à l'action d'un volant d'inertie monté sur le vilebrequin du moteur permettant au piston (15) de balayer la vapeur détendue à basse pression contenue dans le cylindre au travers de l'orifice ouvert par la soupape d'échappement (10), ce qui constitue la phase du balayage dans le cycle de fonctionnement du moteur. 8.- Culasse pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 7 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une soupape (10) liée par la queue à un piston (9) sur une face duquel peut agir un ressort (11) et dont l'autre face ferme une chambre en relation avec un organe d'admission de vapeur à haute pression par l'intermédiaire d'une canalisation (8). 9.- Culasse selon la revendication 8 caractérisée par le fait qu'elle comporte selon un premier mode de réalisation au moins un organe d'admission constitué par un boisseau (4) de forme cylindrique susceptible de coulisser dans une chemise cylindrique percée par des lumières (27) qu'il peut occulter ou découvrir et au travers desquelles se fait l'alimentation en vapeur à haute pression lorsqu'elles sont découvertes, le dit boisseau (4) étant terminé par une forme tronconique de butée et d'étanchéité et prolongé par un téton cylindrique de diamètre inférieur, lui même entaillé par une gorge de dimension suffisante pour - d'une part assurer la communication de la canalisation (8) avec le cylindre du moteur lorsque le boisseau, repoussé par un ressort (6), repose sur son siège et que le téton est en saillie et pour - d'autre part assurer la communication de la canalisation (8) avec l'alimentation en vapeur à haute pression (2) lorsque le même téton se trouve enfoncé à fleur de la plaque (7) et que le boisseau découvre les lumières (27). 10.- Culasse selon la revendication 9 caractérisée par le fait qu'elle comporte, - d'une part soit de façon intégrante soit par l'intermédiaire d'une plaque rapportée (7), un trou au travers duquel l'extrémité du téton du boisseau (4) peut coulisser avec un jeu très faible - d'autre part une butée (17) susceptible de limiter la course du boisseau (4) vers l'intérieur de la culasse à une valeur permettant au téton de dégager le trou de la plaque (7) et terminée en forme de piston cylindrique qui, pendant une fraction de la course qui précède le choc du boisseau sur la butée, peut pénétrer avec un jeu très faible à l'intérieur d'un cylindre (18) lequel est soit usiné dans la masse du boisseau (4) soit constitué par une pièce rapportée, maintenue en place dans le boisseau (4) par le ressort (6), comprimant ainsi la vapeur emprisonnée dans le cylindre (18) pour engendrer une force de ralentissement qui a pour effet d'amortir le choc. 11.- Culasse selon la revendication 8 caractérisée par le fait que l'organe d'admission comporte selon un second mode de réalisation, - d'une part au moins un poussoir (19) de forme cylindrique comportant un talon, repoussé par un ressort (21), et entaillé par une gorge de dimension suffisante pour assurer la communication des canalisations (8) et (22) avec le cylindre du moteur lorsque le poussoir repose sur son talon et se trouve en saillie, et pour assurer la communication des canalisations (8) et (22) avec une alimentation en vapeur à haute pression (20) lorsqu'il se trouve enfoncé dans la culasse par le piston moteur (15) - d'autre part au moins un boisseau (23) de forme cylindrique tenu par une tige qui peut coulisser dans un guide et qui est liée à un piston (24) sur une face duquel peut agir un ressort (26) et dont l'autre face ferme une chambre en relation avec la canalisation (22), le dit boisseau (23) étant susceptible de coulisser dans une chemise cylindrique percée par des lumières (27) qu'il peut occulter ou découvrir et au travers desquelles se fait l'alimentation en vapeur à haute pression lorsqu'elles sont découvertes. 12.- Culasse selon l'une quelconque des revendications 8 à 11 caractérisée en ce qu'elle comporte - d'une part une canalisation (12) rattachée d'un coté à un premier groupe de lumières percées dans la chemise du moteur (16) à un niveau correspondant à une fraction de la course du piston (15) et de l'autre coté ou bien à la chambre située au dessus du boisseau (4), ou bien à la chambre située au dessus du boisseau (23) et aussi à la chambre située au dessus du piston (24) - d'autre part une canalisation d'échappement (3) qui d'un coté est reliée à l'enceinte à basse pression et de l'autre coté est reliée à la fois au siège de la soupape d'échappement (10) et à la fois à un deuxième groupe de lumières (13) percées dans la chemise du moteur (16) de façon qu'elles soient découvertes seulement quand le piston (15) arrive au voisinage immédiat du point mort bas.