Brevet FR2748776A1 — publié le 19971121

l 2748776 PROCEDE DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE CYCLIQUE A CHAMBRE DE COMBUSTION INDEPENDANTE A VOLUME CONSTANT L'invention concerne un procède de moteur à combustion interne cyclique à chambre de combustion indépendante et à volume constant. Les moteurs à combustion interne cyclique et à chambre de combustion indépendante et chambre de compression et de détente séparées tel que décrits dans les brevets francçais 2319769 ou encore 2416344 penrmettent un certains nombres d'améliorations du fonctionnement par rapport aux moteurs conventionnels. Dans ce type de moteur l'aspiration et la compression sont réalisés In dans une chambre commandée par un piston alors que la détente et l'échappement sont réalisés dans une autre chambre; la chambre de combustion indépendante est reliée à ces chambres par des canaux munis d'obturateurs, Toutefois,. les volumes variables de ces deux chambres sont commandés cycliquement en phase et le temps disponible pour la combustion et le transfert des masses gazeuses est particulièrement court et ne permet pas de réaliser une combustion complète à l'instar des moteurs conventionnels. Le procédé suivant l'invention permet de palier ce défaut et d'améliorer considérablement le fonctionnement de ce type de moteur, il est caractérisé par les moyens mis en oeuvre et plus particulièrement par le fait que le cycle de la chambre de compression qui comprend aspiration et compression est décalé en avance par rapport au cycle de la chambre de détente qui comprend détente et échappement de telle sorte que l'on puisse obtenir un temps de combustion bien plus long que dans les moteurs conventionnels. pour fixer les idées un moteur classique ainsi que les moteurs décrits dans les brevets précédemment cités réalisent la combustion de leur charge sur environ 30 à 45 degrés de rotation de leur arbre moteur alors qu'avec le procédé de moteur suivant l'invention on dispose jusqu'à 180 de rotation (durant le temps échappement) pour assurer le remplissage de la chambre et brûler le mélange, ce qui suivant le mode de remplissage utilisé peut autoriser des durées de combustion de l'ordre de 150 voire 160 de rotation de l'arbre moteur. D'autre part et afin d'éviter les pertes de calories à travers les parois durant cette longue combustion la chambre sera, ou pourra être, revêtue d'une barrière thermique en céramique ou autre matériaux isolants calorifuges afin de ne pas perdre de calories à travers les parois qui peuvent ainsi être très chaudes, de même il sera particulièrement intéressant, et ce, pour les mêmes raisons, de revêtir d'une barrière thermique en céramique ou autres matériaux isolants calorifuges les parois de la chambre de détente (tête de piston, ciel de chambre, canal de transfert etc...) On comprend dès lors le fonctionnement du moteur suivant l'invention et les amnéliorations apportées par rapports aux moteurs conventionnels ainsi qu'aux moteurs décrits 3 5 dans les brevets précités. L'interdépendance, notamment, en cycle des chambres de compression et de détente ainsi que la protection thermique de la chambre de combustion et, ou de la chambre de détente, permettent de réaliser sans perte thermique importante des combustions de durée 3 à 4 fois plus importantes que celles des moteurs classiques et d'améliorer ainsi le rendement, par ailleurs il 2 2748776 est également possible avec cette disposition de pouvoir réaliser une chambre de combustion qui ne dépend pas à sa base du diamètre du piston, et de pouvoir approcher ou atteindre ainsi la forme sphérique idéale sans aspérités ni " recoins " dans lesquels les gaz ne brûlent pas et produisent des hydrocarbures imbrûlés. Ces avantages combinés, d'une longue durée de combustion, d'une forme de chambre de combustion compacte proche de la sphère sans aspérités ni recoins, thermiquement isolée avec des parois chaudes permettent d'obtenir des émissions de polluants à l'échappement bien plus faibles que dans les moteurs conventionnels. Selon un autre mode de procédé suivant l'invention, il est possible de ménager entre la chambre de compression et la chambre de combustion, une capacité tampon d'accumulation d'air comprimé qui va permettre d'éviter des effets de pompages, et des pertes de pression dues aux volumes morts de transfert et à la détente lors du remplissage de la chambre de combustion Le mode de fonctionnement du compresseur peut alors varier sans pour autant changer le principe de l'invention; s'il apparait commode d'utiliser en pratique courante un compresseur à piston,tout autre mode de production d'air comprimé peut être utilisé - compresseur à un ou plusieurs étages à piston, rotatif à palettes, à engrenages (Roots, Lyshom) ou turbo compresseur entraîné par les gaz d'échappement. De même que pour certaines applications il est possible d'utiliser une réserve d'air en bouteille (ou autre container) qui sera détendu dans la chambre de combustion, voire encore de l'air comprimé d'un réseau (exemple d'un moteur à poste fixe dans une usine utilisant de l'air comprimé en réseau). Le mode de fonctionnement de la chambre de détente peut également varier sans pour autant changer le principe de l'invention; s'il apparaît ici aussi commode d'utiliser en pratique un piston coulissant dans un cylindre et entraînant un vilebrequin par l'intermédiaire d'une bielle, tout système de capsulisme tournant peut être également utilisé - rotatif à palettes radiales, à piston rotatif tel que le tracé d'une conchoïde de cercle ou d'une trochoïde, etc. Le moteur suivant l'invention fonctionne avec des mélanges homogènes air-carburant et le mélange peut être réalisé par un carburateur avant l'admission au compresseur, mais l'on préférera un système d'injection (électronique ou mécanique) entre le compresseur et la chambre de combustion. toutefois une injection directe dans la chambre de combustion pourra également être utilisée sans pour autant changer le principe de fonctionnement. Le moteur suivant l'invention fonctionne également avec des mélanges hétérogènes à auto inflammation comme les moteurs diesel. Dans ce cas la bougie d'allumage implantée dans la chambre est supprimée et un injecteur direct de gazole alimenté par une pompe et son équipement de type utilisé couramment sur les moteur diesel, est implantée dans ladite chambre de combustion.. Par ailleurs, il peut être implanté au moins 2 chambres de combustions séparées, de fonctionnement identique à celui décrit ci-dessus et qui pourront être alimentées ensembles, 3 2748776 séparément ou alternativement afin d'améliorer le rendement thermodynamique lors des faibles charges - pour exemple utilisation d'une seule chambre pour des puissances utilisées inférieures à la moitié de la puissance totale du moteur, et, utilisation des deux chambres au-delà. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description à titre non limitatif de plusieurs modes de réalisation faite en regard des dessins annexés o: - la figure 1 représente schématiquement vu en coupe transversale un mode de réalisation du moteur suivant l'invention o les chambres de compression et de détente sont commandées chacune par un système bielle manivelle et un piston coulissant dans un cylindre. - la figure 2 représente ce même moteur après avoir introduit le mélange air-carburant dans la chambre de combustion - la figure 3 représente ce même moteur au moment du transfert des gaz de la chambre de combustion vers la chambre de détente. - la figure 4 représente ce même moteur en cours d'échappement et de compression. 1 - la figure 5 représente un autre mode de fonctionnement vu en coupe transversale o une capacité tampon d'accumulation d'air comprimé est installée entre le compresseur et la chambre de combustion, lors de l'admission du mélange air-carburant comprimé dans la chambre de combustion. - la figure 6 représente ce même moteur durant la combustion - la figure 7 représente ce même moteur en début de détente. - la figure 8 représente ce même moteur en fin de détente - la figure 9 représente en coupe transversale un autre mode de réalisation o la chambre de détente et la détente sont réalisées dans un système rotatif de type à palettes radiales. Les figures 1 à 4 représentent un mode de réalisation du moteur suivant l'invention o les chambres de compression et de détente sont commandées chacune par un système bielle manivelle et piston coulissant dans un cylindre, vu en coupe transversale o l'on peut voir la chambre de compression 1, la chambre de combustion indépendante à volume constant 2 dans laquelle est implantée une bougie d'allumage 3, et la chambre de détente 4. La chambre de compression 1 est reliée à la chambre de combustion 2 par un conduit 5 dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un volet étanche 6. La chambre de combustion 2 est reliée à la chambre de détente 4 par un conduit de transfert 7 dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un volet étanche 8. La chambre de compression est alimentée en air comprimé par un ensemble classique de compresseur à piston: un piston 9 coulissant dans un cylindre 10 commandé par une bielle 11 et un vilebrequin 12. Le mélange d'air-carburant frais est admis par un conduit d'admission 13 dont l'ouverture est comnandée par une soupape 14. La chambre de détente 4 commande un ensemble classique de moteur à piston: un piston 15 coulissant dans un cylindre 16 qui entraine par une bielle 17 la rotation d'un vilebrequin 4 2748776 18 l'évacuation des gaz brûlés s'effectuant à travers un conduit d'échappement 19 dont l'ouverture est commandée par une soupape 20 Le vilebrequin 18 entraîne à même vitesse le compresseur par une liaison 21 avec un décalage angulaire des points morts hauts du piston de détente et du piston du compresseur, ce dernier étant en avance d'un angle qui est choisi en fonction de la durée de combustion désirée. La figure I représente le moteur alors que le piston compresseur 9 est proche de son point mort haut et que le volet 6 vient de s'ouvrir pour permettre l'alimentation de la chambre de combustion à volume constant 2 en mélange air carburant frais alors que le piston 15 de la chambre de détente 4 repousse à l'échappement 19 ouvert par la soupape 20, les gaz brûlés et détendus du cycle précèdent. Poursuivant la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre, figure 2, le piston compresseur 9 vient de franchir son point mort haut, et entame sa course descendante; le volet 6 vient d'être fermé et obture le conduit 5, la soupape d'admission 14 s'ouvre pour permettre le renouvellement en mélange air-carburant frais du compresseur (admission). Dès la fermeture du volet 6 on provoque l'allumage par la bougie 3 et la combustion du mélange air-carburant dans la chambre indépendante à volume constant 2, alors que le piston de détente 15 poursuit son ascension et assure l'échappement à travers le conduit 19. Les vilebrequins 12 et 18 poursuivant leurs rotations (ici représentés environ 100 plus tard), le piston de détente 15 arrive à son point mort haut, la soupape d'échappement 20 se referme et l'on commande l'ouverture du volet étanche 8: les gaz sous très haute pression contenus dans la chambre de combustion indépendante 2 se détendent à travers le conduit de transfert 7 dans la chambre de détente 4 et repoussent le piston 15, assurant ainsi le temps moteur, alors que le piston compresseur 9 est en train de terminer l'admission en mélange aircarburant frais. La détente va se poursuivre sur environ 180 degrés de rotation du vilebrequin, figure 4, le volet étanche 8 est alors refermé et la soupape d'échappement 20 s'ouvre, alors que le piston compresseur 9 va comprimer le mélange air-carburant dans la chambre de compression 1 et que l'on va ouvrir le volet 6 pour admettre le nouveau mélange air- carburant frais dans la chambre à volume constant 2 et recommencer le cycle (fig. 1) On constate aisément qu'à chaque tour de vilebrequin (moteur et compresseur) correspond une détente (ou temps moteur) et que le choix du décalage entre le point mort haut du piston compresseur 9 et le point mort haut du piston de détente 15 détermine le temps de combustion du mélange dans la chambre de combustion à volume constant 2. Par ailleurs, le volume de détente déplacé par le piston de détente 15 peut être plus grand que le volume déplacé par le compresseur 9. Cette différence pourra être déterminée en fonction des différences des courbes polytropiques de compression et de détente, dans le but d'obtenir en fin de détente la pression la plus faible possible, gage d'un bon rendement et d'émissions sonores faibles. 2748776 Les figures 5,6,7 et 8, représentent vu schématiquement en coupe transversale un autre mode de réalisation de moteur suivant l'invention o l'on introduit entre le compresseur et la chambre de combustion à volume constant 2 une capacité tampon d'air comprirmé 22, alimentée en air comprimé par tout moyen approprié à travers un conduit 23, maintenue à pression sensiblement constante, et qui a pour effet d'éviter certains effets de pompages et les pertes de pression dues au volume mort de transfert et à la détente lors du remplissage de la chambre de combustion 2. Le conduit 5 dont l'ouverture et la fermnneture sont cormnandées par le volet 6 relie la capacité tampon d'air comprimé 22 à la chambre de combustion indépendante (2) et comporte un injecteur de carburant 24 destiné à réaliser le mélange air-carburant sensiblement avant son introduction dans la chambre de combustion 2. Un volet 25 également implanté dans ce conduit permet de régler la charge admise dans la chambre de combustion (accélérateur). La figure 5 représente le moteurs alors que l'on vient d'ouvrir le volet 6 pour admettre à travers le conduit 5 dans la chambre de combustion à volume constant 2, de l'air comprimé mélangé à du carburant pulvérisé par l'injecteur 24, alors que le piston de détente 15 vient d'entamer sa course ascendante pour repousser à l'atmosphère, par le conduit 19 (la soupape d'échappement 20 ayant été ouverte), les gaz brûlés et détendus du cycle précèdent et que le volet 8 du conduit de transfert vient de se refermer. Dès que le mélange a été introduit dans la chambre de combustion indépendante 2, figure 6, on referme le volet 6, et la chambre de combustion indépendante 2 se trouve isolée, on provoque alors l'allumage par la bougie 3 et la combustion du mélange air-carburant dans la chambre de combustion à volume constant 2 alors que le piston de détente 15 poursuit son ascension et assure l'échappement à travers le conduit 19. Le vilebrequin 18, poursuit sa rotation figure 7, le piston de détente 15 arrive à son point mort haut, la soupape d'échappement 20 se referme, et l'on commande l'ouverture du volet étanche 8. Les gaz sous très haute pression contenus dans la chambre de combustion indépendante 2 se détendent à travers le conduit 7 dans la chambre de détente 4, et repoussent le piston 15, assurant ainsi le temps moteur. La détente va se poursuivre sur environ 180 degrés de rotation du vilebrequin 18, figure 8, le volet étanche 8 est alors refermé et la soupape d'échappement 20 s'ouvre, dés lors, on ouvre le volet 6 pour admettre une nouvelle charge de mélange air-carburant frais dans la chambre à volume constant 2 et recommencer le cycle (fig.5) On constate qu'avec l'introduction d'une capacité tampon d'air comprimé, le principe de fonctionnement du moteur reste le même. Toutefois le compresseur d'air devient totalement indépendant, n'a plus besoin d'être calé angulairement par rapport au vilebrequin moteur 18 et son choix de principe en est ainsi facilité. D'autre part, plus le volume de cette capacité sera grand, plus les effets de pompages et de pertes de pression dans le volume de transfert et à la détente lors du remplissage de la chambre de combustion seront atténués. 6 2748776 La figure 9 représente un autre mode de fonctionnement du moteur suivant l'invention o la chambre de détente et la détente sont réalisées dans un dispositif rotatif à capsulisme tournant de type à palette radiale, constitué d'un carter extérieur cylindrique ou stator 26 dans lequel tourne autour d'un axe excentré un tambour ou rotor 27 tangent au stator et pourvu d'une palette radiale 28 qui coulisse librement dans son logement 29 pour être appliquée sur la paroi extérieure du stator 26, délimitant ainsi un volume variable entre elle-même, le rotor et le stator, qui croit depuis une petite valeur pratiquement nulle au voisinage de la génératrice de contact entre le rotor et le stator. Dans le sens de rotation et peu après cette génératrice est percé le conduit de transfert 7 (dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par le volet 8 de liaison entre la chambre de combustion à volume constant 2 et la chambre de détente. Toujours dans le sens de rotation mais avant la génératrice de contact entre le rotor et le stator est percé un orifice d'échappement 31. Dés que la palette découvre le conduit 7, on provoque l'ouverture du volet 8 et les gaz sous très haute pression contenus dans la chambre de combustion 2 se détendent dans la chambre de détente 30 et, prenant appui sur la palette 28, provoquent la rotation du rotor, alors que la palette 28 repousse I 5 devant elle à l'échappement 31 les gaz brûlés et détendus du cycle précèdent. La fermeture du volet 8 et l'ouverture du volet 6 permettant le renouvellement de la charge fraîche dans la chambre indépendante 2 interviendra en fin de détente lorsque la palette 28 sera proche du conduit d'échappement 31. Le nombre de palettes, leurs positionnements peuvent varier de même que tout autre système rotatif réalisant un capsulisme tournant tel que le tracé d'une conchoïde de cercle ou d'une trochoïde (pistons rotatifs de type Planche,Wankel etc) peut être utilisé comme chambre de détente sans changer pour cela le principe de l'invention qui vient d'être décrite. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisations décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 7 2748776 s REVENDICATIONS 1. -Procédé de moteur à combustion interne cyclique comportant pour chaque cylindre ou élément de travail, une chambre de combustion dans laquelle le mélange air carburant est comprimé puis enflammé dans le but de produire un travail par élévation de la température et de la pression. dans lequel la chambre de compression (1), la chambre de combustion (2), et la chambre de détente (4) sont constituées de trois parties séparées et indépendantes relies entre elles par un ou plusieurs canaux munis d'obturateurs. dans lequel on comprime et enflamme un mélange air- carburant que l'on va détendre ( en ouvrant le canal approprié) dans la chambre de détente (4) lorsque cette dernière sera sensiblement à son plus petit volume pour produire un travail, caractérisé en ce que le cycle de la chambre de compression est décalé en avance par rapport au 1s cycle de la chambre de détente décalage pouvant aller jusqu'à 180 , afin de permettre d'effectuer la comnbustion durant une très grande période pouvant aller jusqu'à 3 ou 4 fois plus de temps qu'un moteur conventionnel, pendant le temps d'échappement, permettant ainsi de parfaire la combustion pour éviter les formations de gaz polluants. 2.- Procédé de moteur à combustion interne suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la tonne de la chambre de combustion indépendante (2) se rapproche de la forme d'une sphère qui est la forme idéale pour obtenir à volume égal la plus petite surface de paroi dans le but d'éviter les pertes de calories à travers lesdites parois, ainsi que les plus petites distances de front de flamme, et l'absence de "recoins" ou le mélange air-carburant ne brûle pas et produit des hydrocarbures imbrûlés. 3.- Procédé de moteur à combustion interne suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la chambre de combustion (2) est revêtue d'une barrière thermique en céramique ou tout autre matériaux isolants calorifuges afin de ne pas perdre de calories à travers les parois qui peuvent être ainsi maintenues à très haute température, et permettre de ce fait de ne pas éteindre la flamme sur lesdites parois évitant ainsi la production d'hydrocarbure imbrûlés dans les gaz d'échappement. 4.- Procédé de moteur à combustion interne suivant les revendications I à 3 caractérisé ren ce que les parois de la chambre de détente (4) etlou, celles du canal de liaison (8) entre cette dernière et la chambre de combustion (2) sont revêtues d'une barrière thermique en céramique ou tout autre matériaux isolant calorifuges afin de ne pas perdre de calories à travers les parois qui peuvent ainsi être maintenues à haute température et améliorer le rendement de la détente. 5.- Procédé de moteur suivant l'une quelconque des revendications I à 4 caractérisé en ce que entre la chambre de compression (1) (ou le compresseur), et la chambre de combustion indépendante (2), on implante une capacité tampon d'air comprimé (22) qui va permettre d'éviter 8 2748776 des effets de pompage ainsi que des pertes de pression dus au volume mort de transfert et à la détente lors du remplissage de la chambre de combustion. Il va sans dire que, dans ce cas, le conduit de liaison (5) et son système d'ouverture et de fermeture commandées (6) se trouvent entre la capacité tampon et la chambre de combustion.