Brevet FR2738596A1 — publié le 19970314

La présente invention concerne un dispositif pour améliorer les performances des moteurs volumétriques à combustion externe utilisant l'air comme fluide moteur, encore appelés "moteurs à air chaud" . Il sera décrit en faisant référence à la figure 1 sur laquelle la partie à gauche de la ligne LL' représente le schéma d'un moteur à combustion externe particulier, à titre d'exemple, et la partie à droite de la ligne LL', le dispositif objet de la présente invention. Le moteur de l'exemple fonctionne selon un cycle à quatre temps. Au cours du premier temps, le piston 7 descend du PMH au PMB, et, la soupape 1 étant alors ouverte, aspire de l'air atmosphérique par le conduit 19. Au cours du deuxième temps du cycle, l'air moteur est repoussé du cylindre 10 par le piston 7 à travers le clapet 5 vers la surface d'échange 23 représentée symboliquement par un tube spiralé, de la chaudière à air 4. Cette surface d'échange 23 est exposée à la flamme 26 produite par le brûleur 27, qui transmet ainsi sa chaleur à l'air moteur qui circule dans 23, avant d'être réadmis dans le cylindre à travers la soupape 3 au cours du troisième temps du cycle, pour s'y détendre et produire le travail utile recherché.Lorsque le piston 7 remonte, pour accomplir le quatrième temps du cycle, l'air moteur détendu peut s' échapper par le conduit 20 hors du cylindre 10 à travers la soupape 2 qui est alors ouverte. Plutôt que de le laisser s'échapper à l'atmosphère, il est alors judicieux de reutiliser cet air qui est encore sous pression et encore chaud, comme air comburant dans le brûleur. A cette fin l'air moteur qui s'échappe par la tubulure 20 est d'abord conduit par la tubulure 28 vers le réchauffeur d'air 29, qui récupère ce qu'il est possible de la chaleur de la flamme qui subsiste après passage sur la surface d'échange 23, et est conduit ensuite au droit du brûleur 27 pour y servir d'air comburant. Les gaz produits par la combustion et l'excès d'air comburant ont encore à la sortie 30 de la chaudière à air 4 une pression et une température supérieures à la pression et à la température atmosphé- riques. Le dispositif selon l'invention consiste à profiter de ces circonstances pour envoyer ces gaz se détendre dans la turbine à gaz 24 qui entraine le compresseur 25, lequel comprime l'air provenant de l'atmosphère ambiante ou d'un autre compresseur d'air, et le présente ainsi comprimé à la tubulure d'admission 19 du moteur, ce qui a pour premier effet d'augmenter la puissance du moteur sensiblement en proportion de l'augmentation de la pression d'admission ainsi obtenue. Un second effet de cette disposition en sortie de chaudière à air du turbo-compresseur 24-25 selon l'invention est la diminution du temps de réponse entre une demande de variation de puissance sollicitée par une variation du débit de combustible dans le brûleur 27, et l'apparition sur l'arbre du moteur de la variation de puissance demandée. En effet, une variation de débit de combustible produit immédiatement une variation du débit de gaz à la sortie 30 de la chaudière 4 qui alinente la turbine 24, donc une variation de la surpression d'alimentation créée par le compresseur 25, donc la variation de puissance recherchée, sans avoir à attendre que la température de l'air moteur qui défile dans la surface d'échange 23 ait elle-même varié. On parle alors de l'ameliora- tion de la "réactivité" du moteur. Ces deux premiers effets bénéfiques du dispositif selon l'invention, l'augmentation de la puissance du moteur et la dininution du tenps de sa réponse à une demande de variation de puissance, sont obtenus quel que soit sa vitesse de rotation, contrairement à ce qui se produit dans la turbo-suralimentation des moteurs à combustion interne, dans lesquels le débit de gaz d'échappement qui se détend dans la turbine est forcément lié à la vitesse de rotation du moteur. Un troisième effet bénéfique du dispositif selon l'invention est l'amélioration du rendement global du moteur, car le remplacement de l'admission directe par la conduite 19 d'air atmosphérique comme air moteur par l'air comprimé dans le compresseur 25 augmente la puissance du moteur à debit égal de combustible dans le brûleur 27. La présente invention prévoit encore d'installer une tubulure de dérivation 32 entre la tubulure 31 de sortie du compresseur 25 et la tubulure 28 qui alimente le brûleur en air comburant. Sur cette tubulure 32, une vanne 33 commandée à la main ou par un asservissement ou par tout autre moyen approprié, permet de régler entre zéro et la totalité la fraction du débit du compresseur 25 qui est dérivée directenent vers le brûleur 27. Cette disposition permet en particulier d'assurer la fourniture d'air conburant même dans le cas où le moteur est momentanement arrêté, et maintenir ainsi la température de la chaudière 4 à une valeur suffisante pour un redémarrage ultérieur du moteur. Pour étendre cette fonction à un démarrage à froid, la turbine 24 étant alors à l'arrêt, un moteur électrique 34 entraînera le compresseur 25 pendant le temps nécessaire au démarrage par une transmission débrayable ou à roue libre 35. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour améliorer les performances des moteurs à combustion externe caractérisé par le fait que les gaz de combustion et l'excès d'air comburant qui s'échappent de la chaudière à air 4 sont envoyés dans une turbine 24 pour s'y détendre avant dètre rejetés à l'atmosphère, laquelle turbine 24 entraine un compresseur d'air 25 dont la sortie d'air sous pression alimente principalement l'admission du moteur. 2) Dispositif pour améliorer les perfornances des moteurs à combustion externe selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une fraction réglable par un vanne 33 entre zéro et la totalité du débit de l'air du compresseur 25 peut être dérivée vers le brûleur 27 de la chaudière à air 4 pour y servir d'air comburant. 3) Dispositif pour améliorer les performances des moteurs à combustion externe selon la revendication 2 , caractérisé par le fait qu'un moteur électrique 34 peut être substitué momentanément à la turbine 24 pour entraîner le compresseur 25, pour assurer la fourniture d'air comburant lors d'un dénarrage du moteur à froid.