Brevet FR3085725A1 — publié le 20200313

MOTEUR À COMBUSTION EXTERNE À CYCLE DIVISÉ [0001] La présente invention porte sur un moteur à combustion externe à cycle divisé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des véhicules automobiles. [0002] On connait par exemple du document EP2619427 le concept de moteur à cycle divisé encore désigné par moteur dit "split cycle" en terminologie anglaise. Ce concept de moteur à cycle divisé consiste à séparer dans deux cylindres distincts les quatre temps d'un cycle Beau de Rochas habituellement concentrés dans un seul cylindre du moteur. Dans un moteur conventionnel, les quatre phases du cycle (Admission / Compression / Détente / Echappement) se suivent sur le plan temporel, et sont concentrés dans le même cylindre. [0003] Un moteur à combustion externe à cycle divisé, appelé aussi moteur Ericsson, comporte un cylindre de compression destiné au déroulement d'une phase d'admission et de compression d'air et un cylindre de détente destiné au déroulement d'une phase de détente et d'évacuation d'air. Le cylindre de détente est associé à une chambre de combustion externe et à un réchauffeur d'air afin de permettre la détente d'air à l'intérieur du cylindre. Les phases du cycle moteur peuvent alors être exécutées simultanément avec un phasage adéquat. Ces deux cylindres réalisent deux cycles en deux tours du moteur, soit autant qu'un bicylindre quatre temps de même cylindrée. [0004] L'invention vise à améliorer le rendement d'un tel moteur, en proposant un moteur à combustion externe à cycle divisé comportant: - un premier cylindre de compression destiné au déroulement d'une phase d'admission et de compression d'air, - un premier cylindre de détente associé à une chambre de combustion externe et à un réchauffeur d'air pour chauffer l'air entrant à l'intérieur du premier cylindre de détente, le premier cylindre de détente étant destiné au déroulement d'une phase de détente et d'évacuation d'air, caractérisé en ce que le moteur à combustion externe comporte en outre au moins un deuxième cylindre de détente associé à une chambre de combustion externe et à un réchauffeur d'air pour chauffer l'air entrant à l'intérieur du deuxième cylindre de détente, la 2 chambre de combustion du deuxième cylindre de détente étant en communication avec la chambre de combustion du premier cylindre de détente. [0005] L'invention permet ainsi, comparé à une machine Ericsson simple, d'augmenter significativement le rendement et la densité de puissance du moteur thermique. En outre, 5 pour une puissance globale fixe, l'invention permet, grâce à la présence de la deuxième chambre de combustion, de réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx) dans le cas où on utilise de l'essence ou du diesel ou un autre carburant comme fuel. Cela est dû au fait qu'il existe une recirculation des gaz d'échappement dans la deuxième chambre de combustion. Il sera également possible d'utiliser différents types de carburants qui pourront 10 être de tout type solide, liquide ou gazeux. [0006] Selon une réalisation, une entrée du deuxième cylindre de détente est reliée à une sortie du premier cylindre de détente. [0007] Selon une réalisation, une chambre de combustion est alimentée en air par une sortie d'un cylindre de détente. 15 [0008] Selon une réalisation, le moteur à combustion externe comporte un récupérateur de chaleur destiné à préchauffer de l'air en amont du premier cylindre de détente. [0009] Selon une réalisation, le moteur à combustion externe comporte un deuxième cylindre de compression. [0010] Selon une réalisation, une entrée du deuxième cylindre de compression est reliée 20 à une sortie du premier cylindre de compression. [0011] Selon une réalisation, le moteur à combustion externe comporte un refroidisseur d'air monté entre le premier cylindre de compression et le deuxième cylindre de compression. [0012] L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il 25 comprend un moteur à combustion externe à cycle divisé tel que précédemment défini. [0013] Selon une réalisation, le moteur à combustion externe est apte à assurer une traction du véhicule automobile dans le cas d'un véhicule de type hybride. 3 [0014] Selon une réalisation, le moteur à combustion externe est apte à assurer un entraînement d'un générateur électrique, notamment pour le rechargement d'un prolongateur d'autonomie de véhicule électrique. [0015] L'invention concerne en outre un moteur à combustion externe à 5 cycle divisé comportant: - un cylindre de compression destiné au déroulement d'une phase d'admission et de compression d'air, et - un cylindre de détente associé à une chambre de combustion externe et à un réchauffeur d'air pour chauffer l'air entrant à l'intérieur dudit cylindre de détente, ledit cylindre de détente 10 étant destiné au déroulement d'une phase de détente et d'évacuation d'air, caractérisé en ce que la chambre de combustion externe est alimentée en air par une sortie du cylindre de détente. [0016] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais 15 nullement limitatif de l'invention. [0017] La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à cycle divisé de type Ericsson; [0018] La figure 2 est une représentation schématique d'un moteur à cycle divisé selon l'invention comportant une sortie d'un cylindre de détente couplée avec une entrée d'une 20 chambre de combustion; [0019] La figure 3 est une représentation schématique d'un moteur à cycle divisé selon l'invention comportant un récupérateur de chaleur en entrée d'un cylindre de détente; [0020] La figure 4 est une variante de réalisation du moteur à cycle divisé de la figure 3 à deux étages de compression; 25 [0021] La figure 5 est une variante de réalisation du moteur à cycle divisé de la figure 3 à deux étages de détente; [0022] La figure 6 est une variante de réalisation du moteur à cycle divisé de la figure 3 à deux étages de compression et deux étages de détente. [0023] Les éléments identiques similaires ou analogues conservent la même référence 30 d'une figure à l'autre. 4 [0024] La figure 1 montre un moteur à combustion externe 10 à cycle divisé de type Ericsson. Le moteur 10 pourra assurer la traction du véhicule automobile en particulier de type hybride et/ou assurer l'entraînement d'un alternateur électrique, notamment pour la recharge d'un prolongateur d'autonomie d'un véhicule de type électrique. 5 [0025] Le moteur 10 comprend un cylindre de compression 12.1 dans lequel coulisse un piston 13.1 et un cylindre de détente 14.1 dans lequel coulisse un piston 15.1. Dans le cylindre de compression 12.1 se déroulent la phase d'admission et de compression de l'air. Dans le cylindre de détente 14.1 se déroulent la phase de détente et la phase d'échappement de l'air. Les pistons 13.1, 15.1 sont classiquement reliés à un vilebrequin du 10 moteur 10 (non représenté). Ainsi, dans le cylindre de compression 12.1 ne se déroulent pas la phase de détente et la phase d'échappement de l'air et dans le cylindre de détente 14.1 ne se déroulent pas la phase d'admission et de compression de l'air. [0026] Chaque cylindre 12.1, 14.1 comporte une entrée d'air E et une sortie d'air S. L'ouverture ou la fermeture d'une entrée d'air E, respectivement d'une sortie d'air S, est 15 pilotée par une soupape correspondante. En variante, une soupape est remplacée par un clapet apte à s'ouvrir à partir d'une certaine pression et à se fermer ensuite. La sortie S du cylindre de compression 12.1 est reliée à l'entrée E du cylindre de détente 14.1. [0027] Le cylindre de détente 14.1 est associé à une chambre de combustion 18.1 destinée à brûler un carburant, tel que de l'essence ou du diesel. Le carburant pourra être 20 de tout type solide, liquide ou gazeux. [0028] Un souffleur d'air 19 permet d'amener de l'oxygène de l'air, le comburant, dans la chambre 18.1. Des moyens d'allumage permettront de réaliser la combustion du mélange air/carburant. [0029] Un réchauffeur d'air 20.1 permet de chauffer l'air en provenance du piston de 25 compression 13.1 et entrant dans le cylindre de détente 14.1 avant d'effectuer la détente. [0030] Dans le cylindre de compression 12.1, une compression refroidie aura lieu, afin de diminuer le travail de compression. [0031] En analysant le rendement global de la machine correspondant au ratio entre le travail net généré et la quantité d'énergie consommée dans la chambre de combustion 18.1, 30 on remarque que celui-ci est faible parce qu'une grande partie de l'énergie générée dans la chambre de combustion 18.1 est dissipée vers l'extérieur. Un des moyens de réduire la 5 perte d'énergie, est de coupler la sortie S du cylindre de détente 14.1 à l'entrée de la chambre de combustion 18.1, tel que cela est montré sur la figure 2. A cet effet, la chambre de combustion 18.1 est alimentée en air par une sortie S du cylindre de détente 14.1. Cela est rendu possible par le fait que le fluide de travail dans le cylindre de détente 14.1 est de l'air ne contenant aucun produit de combustion. [0032] Un autre moyen d'améliorer le rendement global de la machine est de réduire la quantité de carburant injectée par l'utilisation d'un récupérateur de chaleur 22 destiné à préchauffer de l'air en amont du cylindre de détente 14.1, tel que montré sur la figure 3. Ce récupérateur de chaleur 22 permet d'augmenter la température de l'air en entrée du 10 réchauffeur d'air 20.1, réduisant ainsi la quantité de carburant nécessaire à brûler dans la chambre de combustion 18.1 pour atteindre une température donnée. Ce récupérateur de chaleur 22 est un échangeur thermique entre les gaz chauds issus de la chambre de combustion 18.1 et l'air froid sortant du cylindre de compression 12.1. [0033] Afin de maximiser le rendement, on peut également chercher à s'approcher au 15 maximum d'une compression isotherme froide et d'une détente isotherme chaude. Pour s'approcher des transformations isothermes, on peut réaliser des compressions refroidies et des détentes avec réchauffes. [0034] Dans le mode de réalisation de la figure 4, le moteur 10 comporte en outre un deuxième cylindre de compression 12.2 associé à un piston 13.2, soit deux étages de 20 compression. Une entrée E du deuxième cylindre de compression 12.2 est reliée à une sortie S du premier cylindre de compression 12.1. Avantageusement, un refroidisseur d'air 25 est monté entre le premier cylindre de compression 12.1 et le deuxième cylindre de compression 12.2. On refroidit ainsi l'air sortant du premier cylindre de compression 12.1 pour optimiser le remplissage du deuxième cylindre de compression 12.2. 25 [0035] Dans le mode de réalisation de la figure 5, le moteur 10 comporte deux étages de détente, c'est-à-dire qu'il comporte un deuxième cylindre de détente 14.2, dans lequel coulisse un piston 15.2. Ce deuxième cylindre de détente 14.2 est associé à une chambre de combustion externe 18.2 et à un réchauffeur d'air 20.2 pour chauffer l'air entrant à l'intérieur du deuxième cylindre de détente 14.2. Une entrée E du deuxième cylindre de 30 détente 14.2 est reliée à une sortie S du premier cylindre de détente 14.1. [0036] La chambre de combustion 18.2 du deuxième cylindre de détente 14.2 est en communication avec la chambre de combustion 18.1 du premier cylindre de détente 14.1. 6 On assure ainsi une post-combustion: l'excès d'air en sortie de la chambre de combustion 18.2 pourra brûler dans la chambre de combustion adjacente 18.1. La chambre de combustion 18.2 est alimentée en air par une sortie S du deuxième cylindre de détente 14.2. 5 [0037] Dans ce cas, on réalise une combustion avec un très grand excès d'air afin de limiter la température de combustion, notamment pour des raisons de tenue thermique des matériaux. Cet excès d'air, et donc d'oxygène, permet de réaliser une deuxième combustion successive. On réduit ainsi les émissions d'oxydes d'azote (NOx) dans le cas où on utilise de l'essence ou du diesel ou un autre carburant comme fuel. Cela est dû au fait qu'il existe 10 une recirculation des gaz d'échappement dans la deuxième chambre de combustion 18.2. [0038] Dans le mode de réalisation de la figure 6, le moteur 10 comporte deux étages de compression et deux étages de détente, c'est-à-dire qu'il correspond à la combinaison des conceptions des figures 4 et 5. Bien entendu, le nombre d'étages de compression et d'étages de détente pourra être adapté en fonction de l'application REVENDICATIONS1. Moteur à combustion externe (10) à cycle divisé comportant: - un premier cylindre de compression (12.1) destiné au déroulement d'une phase d'admission et de compression d'air, - un premier cylindre de détente (14.1) associé à une chambre de combustion externe (18.1) et à un réchauffeur d'air (20.1) pour chauffer l'air entrant à l'intérieur dudit premier cylindre de détente (14.1), ledit premier cylindre de détente (14.1) étant destiné au déroulement d'une phase de détente et d'évacuation d'air, caractérisé en ce que ledit moteur à combustion externe (10) comporte en outre au moins un deuxième cylindre de détente (14.2) associé à une chambre de combustion externe (18.2) et à un réchauffeur d'air (20.2) pour chauffer l'air entrant à l'intérieur dudit deuxième cylindre de détente (14.2), la chambre de combustion (18.2) du deuxième cylindre de détente (14.2) étant en communication avec la chambre de combustion (18.1) du premier cylindre de détente (14.1). 2. Moteur à combustion externe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une entrée (E) du deuxième cylindre de détente (14.2) est reliée à une sortie (S) du premier cylindre de détente (14.1). 3. Moteur à combustion externe selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une chambre de combustion (18.1, 18.2) est alimentée en air par une sortie (S) d'un cylindre de détente (14.1, 14.2). 4. Moteur à combustion externe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un récupérateur de chaleur (22) destiné à préchauffer de l'air en amont du premier cylindre de détente (14.1). 5. Moteur à combustion externe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième cylindre de compression (12.2). 6. Moteur à combustion externe selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une entrée (E) du deuxième cylindre de compression (12.2) est reliée à une sortie (S) du premier cylindre de compression (12.1). 8 7. Moteur à combustion externe selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte un refroidisseur d'air (25) monté entre le premier cylindre de compression (12.1) et le deuxième cylindre de compression (12.2). 8. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à combustion externe (10) à cycle divisé tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Véhicule automobile selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moteur à combustion externe (10) est apte à assurer une traction du véhicule automobile dans le cas d'un véhicule de type hybride. 10. Véhicule automobile selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le moteur 10 à combustion externe (10) est apte à assurer un entraînement d'un générateur électrique, notamment pour le rechargement d'un prolongateur d'autonomie de véhicule électrique.