Brevet FR3115313A1 — publié le 20220422

Dispositif mécanique d'injection d'air comprimé, dans un moteur à air comprimé, conçu selon le principe des moteurs diesel ou des moteurs deux temps, comprenant un système de contrôle de l'injection d'air comprimé dans le moteur, caractérisé en ce que le système de contrôle d'injection de l'air est asservi au déplacement de chaque piston du moteur. Figure pour l’abrégé : [Figure 6] Système d'injection d'air comprimé dans un moteur à air comprimé. La présente invention est relative à un système d'injection d'air comprimé dans un moteur fonctionnant à l'air comprimé. Il existe de nombreux types de moteurs à air comprimé utilisés dans l'industrie ou pour des activités artisanales. Ces moteurs sont utilisés le plus souvent pour des usages mécaniques ou pour la motorisation de véhicules. Les moteurs à air comprimé peuvent aussi être utilisés pour la fabrication de systèmes de stockage d'énergie. Pour ces usages, l'air est comprimé à haute pression en utilisant les compresseurs disponibles sur le marché, cet air comprimé est stocké dans des bonbonnes, puis selon les besoins, il est injecté dans les pistons d'un moteur, ou dans une turbine, lequel moteur est couplé soit à un véhicule, soit à une génératrice d'électricité, de préférence une génératrice à aimants permanents. Cependant, La durée de fonctionnement du système, dépend de la quantité d'air comprimé stockée et de la consommation d'air par le moteur. Le but de l'invention est de décrire un système d'injection mécanique d'air comprimé dans les pistons du moteur, dont le principe permet de contrôler la quantité d'air consommée. Par ailleurs, on peut améliorer les performances du moteur en créant les conditions pour que l'air comprimé injecté dans le piston du moteur rencontre des surfaces chaudes, ce qui peut se faire de deux manières: En favorisant les échanges thermiques du moteur avec son environnement, en utilisant des ailettes pour le réchauffage du piston (Ces ailettes sont utilisées pour le refroidissement du moteur dans les moteurs à explosion). Ainsi le piston capte de l'énergie à l'environnement. Ce qui est très favorable lorsqu'on utilise le moteur dans des régions où la température est élevée. En comprimant un volume d'air prélevé à la pression atmosphérique, à l'extérieur du moteur. Ce volume d'air est comprimé grâce à l'inertie du volant couplé au piston du moteur. Lors de la compression l'air atteint des températures très élevées. C'est le principe utilisé dans les moteurs diesel. De nombreux concepts de moteurs à air comprimé existent sur le marché. Ils utilisent généralement soit une turbine, soit un moteur sur lesquels l'injection d'air comprimé et l'échappement de l'air détendu se font par des soupapes activées par un arbre à cames. Des principes nouveaux d'injection de l'air comprimé sont étudiés. On peut se reporter par exemple au brevet WO2011104606A2, intitulé "moteur thermique à haut rendement entrainé par air comprimé ou autres gaz compressibles". Le brevet WO2011104606A2 décrit une conception classique des moteurs à air comprimé existant sur le marché. L'innovation portant principalement sur le système d'injection d'air comprimé dans le piston du moteur. L'injection d'air est faite par la pression du piston exercée sur une valve comme le décrivent les dessins du brevet WO2011104606A2 présentées en figure (1) de notre propre brevet. Sur les figures du brevet WO2011104606A2, le piston se déplace vers le haut et vient pousser la valve vers le haut ce qui permet à l'air comprimé de pénétrer dans la chambre de déplacement du piston, l'air exerce ainsi une pression sur le piston Le principal inconvénient de ce mode de fonctionnement est que la valve est projetée violemment dans sa cavité, d'autant plus fréquemment que la fréquence de rotation du piston est élevée, cette valve rebondit et frotte sur les parois sans qu'on ne sache le type de rebondissements ou de frottements. On ne sait pas non plus quelle quantité d'air a pénétré dans le piston, pour une pression d'air connue, et à une fréquence de rotation connue du piston. Par ailleurs, lors des chocs de la valve sur les parois de son logement , cette valve subit des processus d'endommagement connus sous le nom de fatigue des matériaux, pouvant aller jusqu'à la rupture des matériaux utilisés pour la valve, et ainsi provoquer la rupture de certains composants du moteur. Par ailleurs le choix de l'architecture des moteurs à explosion, a refroidissement par circulation de fluide, pour concevoir un moteur à air comprimé ne permet pas de favoriser les échanges avec l'air ambiant car les pistons sont entourés de canalisations de circulation d'eau qui, lorsqu'elles ne sont pas utilisées, font fonction d'isolant thermique. L'invention, objet du présent brevet, décrit un dispositif mécanique d'injection d'air comprimé dans un moteur à air comprimé qui comprend: Un moteur conçu selon le principe ancien des moteurs à explosion dits à "deux temps" ou des moteurs diesel. Ces moteurs aspirent de l'air extérieur, et le compriment de telle manière que le carburant rencontre un volume d'air chaud de température très élevée. Cette température est atteinte grâce à un fort taux de compression de l'air permettant d'atteindre des températures supérieures à 400°C. Un système d'entrée d'air dans la chambre d'expansion (1-17) de l'air comprimé, figure (5), qui s'ouvre et se ferme en phase avec la vitesse de rotation du moteur ou, ce qui est équivalent, en phase avec la période de déplacement desdits pistons. La chambre d'expansion (1-17) est fabriquée dans un alliage à haute conductibilité thermique, tel qu'un alliage d'aluminium ou un alliage cuivreux, pour faciliter les échanges de température entre la chambre du piston et l'atmosphère extérieure. Un système permettant de contrôler la quantité d'air pénétrant dans le la chambre d'expansion (1-17) de l'air comprimé, et de l'adapter à la vitesse de rotation du moteur. Au démarrage du moteur, la rotation du moteur est lente, la quantité d'air et la pression de l'air comprimé à injecter sont nécessairement élevées pour vaincre les résistances dues aux frottements, lorsque le moteur a atteint son régime stationnaire, la quantité d'air est moindre et constante, pour compenser les diverses résistances à la rotation du moteur. Notre invention va être décrite plus précisément dans la suite de ce texte. La présente un moteur à air comprimé avec ses trois ouvertures: une entrée d'air (2) à la pression atmosphérique (1 bar) une entrée d'air comprimé (1) typiquement à la pression de 40 bars, une sortie de l'air détendu et froid (3), un axe moteur (4). Pour décrire l'invention un dessin simplifié du moteur à air comprimé et de son environnement a été réalisé il est présenté . Le système est composé d'un moteur (1), d'un réservoir d'air comprimé (2) sous haute pression, typiquement 40 bars, et du tuyau (2-1) d'apport d'air comprimé dans le moteur. Le tuyau (2-1) est muni d'un clapet anti-retour (2-1-1) que l'homme de l'art sait concevoir. L'entrée d'air à pression atmosphérique se fait par le tuyau (1-11) qui communique via la chambre du vilebrequin (1-10) avec l'ouverture (1-4-1) qui permet l'injection d'air dans la chambre du piston (1-17). La sortie de l'air détendu et froid se fait par l'orifice (1-3). Le cylindre du moteur est entouré d'ailettes de réchauffage (1-1) qui augmentent l'échange de chaleur de la chambre du moteur avec l'atmosphère. Pour aller plus avant dans la description de l'invention, le système est présenté avec la culasse ouverte en partie haute, et le bloc moteur en partie basse, ainsi qu'avec des ailettes de réchauffage (1-1) en coupe. On reconnait dans la : La coupe de la culasse et du bloc moteur constituées des parties suivantes: En partie basse, le bloc moteur (1-12) et les trous (1-12-1) permettant la fixation des deux parties du bloc moteur. La culasse, (1-5) percée d'un trou vertical dans lequel est fixé un roulement à billes de guidage axial (1-6) Les ailettes de réchauffage (1-1) La culasse (1-5) et le bloc-moteur (1-12) sont fixés par des vis, non représentés dans le dessin, un joint (1-14), généralement appelé segment, assure l'étanchéité de l'assemblage du bloc moteur et de la culasse. Dans le bloc-moteur est fixé l'axe de rotation de l'arbre du moteur (1-10-1) sur lequel est fixé un maneton de forme triangulaire (1-10). Une bielle (1-9) tourne librement autour de l'axe (1-9-1) fixé sur le maneton (1-10). Enfin le piston (1-8) est fixé à la bielle par le goujon horizontal (1-9-2) Dans le bloc moteur est ménagé un canal (1-15) qui permet de faire pénétrer l'air extérieur qui pénètre dans le bloc moteur par l'entrée (1-11) lorsque le clapet (1-13) est ouvert. Un disque (1-16) est vissé ou fixé sur la culasse pour en assurer l'étanchéité. Notre invention est plus précisément représentée dans la . Pour contrôler l'entrée d'air provenant du réservoir via le tuyau (2-1) et le trou ménagé (1-4) dans la culasse (1-5), une tige en acier (1-7) est fixée sur la surface du piston. La tige (1-7) pénètre dans la cage de roulement à billes axiale (1-6) dans le but de réduire les frottements lors du mouvement de la tige (1-7). La fixation de la tige (1-7) est faite par soudage, de préférence au centre et orthogonalement à la surface du piston, dans le but que cette tige se déplace parallèlement à l'axe de déplacement du piston. Cependant, pour corriger les défauts d'alignement, on peut envisager de fixer la tige (1-7) sur une rotule, elle-même fixée à la surface du piston (1-8). Une rainure (1-7-1) dont les dimensions dépendent du débit prévu pour la circulation de l'air est pratiquée verticalement sur le bord de la tige (1-7). Cette rainure est mieux visible sur la . Enfin, un ou plusieurs joints d'étanchéité (1-6-1) sont fixés dans une gorge pratiquée dans le bloc moteur ou la culasse enserrent la tige (1-7). Le joint d'étanchéité est placé sous l'entrée d'air comprimé (1-4). Le joint d'étanchéité est composé de préférence de matériaux à faible coefficient de frottement, tels que des bronzes au plomb, ou des aciers revêtus de nitrure de titane, ou en divers alliages revêtus d'un polymère lubrifiant par exemple du polytétrafluoroéthylène. On notera que l'axe de la rainure (1-7-1) coïncide avec l'axe du trou d'entrée d'air comprimé (1-4). Le principe de fonctionnement de ce système d'admission d'air peut être compris en comparant les figures 5 et 7. Dans la , le piston (1-8) est en position basse, la tige (1-7) et le joint (1-6-1) bloquent le passage de l'air venant du trou (1-4). Dans la le piston (1-8) est en position haute, la tige (1-7) et le joint (1-6-1) ne bloquent plus le passage de l'air venant du trou (1-4) car il passe par la rainure (1-7-1). On a bien une valve qui s'ouvre et se ferme en phase avec le mouvement du piston, le temps d'ouverture dépendant de la hauteur de l'échancrure (1-7-1) dans la tige (1-7). On comprend aussi le fonctionnement du moteur à air comprimé, avec aspiration d'air extérieur, utilisant ce type de vanne de contrôle de l'entrée de l'air comprimé en comparant les figures 8-1, 8-2, 8-3, 8-4, 8-5 et 8-6. Sur ces figures l'axe du moteur tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Etape A-Injection d'air comprimé: la figure 8-1 représente le piston en position haute. L'air est fortement comprimé dans la chambre d'expansion (1-17) grâce à l'énergie emmagasinée dans le volant d'inertie. On sait que, selon le rapport de compression de l'air, on peut atteindre des températures supérieures à 400°C. La rainure (1-7-1) est face à l'arrivée d'air comprimé (1-4). L'air pénètre ainsi, sous haute pression, dans la chambre du piston. La pression de l'air injecté doit nécessairement avoir une pression supérieure à celle de l'air chaud comprimé dans la chambre du piston. L'air comprimé du réservoir (2) est projeté au contact de l'air comprimé dans la chambre du piston (1-17) qui à une température très élevée. Il en résulte une augmentation importante de la pression de l'air comprimé injecté et une violente poussée du piston, qui subit une pression dépendant de la pression de l'air comprimé injecté en (1-4), et de la température de la chambre (1-17) qui résulte de la compression de l'air extérieur. Etape B-Détente: la figure 8-2 représente le déplacement du piston vers le bas. On note que l'entrée d'air comprimé dans le piston est bloquée par le joint (1-6-1) et la tige (1-7) Etape C—la figure 8-3 montre l'évacuation de l'air détendu par le trou (1-3). On notera que, dans ce cas, l'air peut atteindre des températures très négatives due à la détente rapide, quasi adiabatique. Etape D- La figure 8-4 montre l'ouverture de l'entrée d'air par le tuyau (1-11). Dans notre schéma, en bas du moteur, un clapet anti retour maintenu par un ressort s'ouvre en raison de la dépression provoquée par l'évacuation brutale de l'air à l'étape C. Ceci provoque une aspiration de l'air extérieur. Le déflecteur (1-8-1) envoie l'air vers le haut de la chambre du piston (1-17) pour éviter que trop d'air ne s'échappe par la sortie 1-3. Etape E- En figure 8-5 et figure 8-6, le piston remonte comprime un volume d'air aspiré à l'étape D et augmente la température de l'air comprimé dans la chambre. Le cycle recommence à l'étape A. On a donc bien un système de contrôle de l'arrivée d'air comprimé asservi au mouvement périodique du piston. La permet de comparer les quantités d'air comprimé pénétrant à chaque cycle dans le piston. Cela dépend de la fréquence de rotation du moteur qui est ajustée par la modification de la pression et du débit d'air comprimé injecté dans la chambre du (1-17) piston. On peut considérer que la température de l'air comprimé injecté, provenant du réservoir (2) est très inférieure à celle de l'air comprimé dans la chambre du piston, laquelle dépend du taux de compression du piston. Le déplacement du piston est assimilable à une sinusoïde dont l'amplitude est la distance entre le point mort haut et le point mort bas du piston. La présence de la rainure face à l'entrée de l'air comprimé est représentée par une ligne horizontale pointillée. Les quantités d'air injecté dans le piston sont représentées par la surface entre la sinusoïde et cette ligne horizontale. La taille de la rainure (1-7-1) permet d'ajuster la quantité d'air pénétrant dans le cylindre. Comme le présente la , les pistons et vannes objets de l'invention peuvent être couplés entre eux pour réaliser un moteur plus puissant. Dispositif mécanique d'injection d'air comprimé, dans un moteur à air comprimé, conçu selon le principe des moteurs diesel ou des moteurs deux temps, comprenant un système de contrôle de l'injection d'air comprimé dans le moteur, caractérisé en ce que le système de contrôle d'injection de l'air est asservi au déplacement de chaque piston du moteur. Dispositif mécanique d'injection d'air comprimé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le système de contrôle de l'injection d'air comporte : Une tige (1-7) soudée ou fixée perpendiculairement à la surface du piston, et parallèle à l'axe de son déplacement du piston. Cette tige (1-7) ayant une rainure (1-7-1) qui se présente périodiquement devant une arrivée d'air comprimé (1-4) ce qui permet l'entrée de l'air comprimé dans le piston, via le trou d’arrivée d'air comprimé (1-4), orthogonal à la rainure (1-7-1), Le tube (2-1) fixé au trou d’arrivée d'air comprimé (1-4) étant muni d'une vanne antiretour (2-1-1) qui empêche le refoulement de l'air comprimé vers le réservoir. Un ou plusieurs joints (1-6-1) insérés dans la culasse du moteur (1-5) qui enserrent la tige (1-7) et permettent de bloquer le passage de l'air comprimé quand la tige et le piston sont en position basse, ce joint (1-6-1) étant fabriqué en acier revêtu d'une couche mince antifriction, telle qu'un dépôt de nitrure de titane ou de de polymère lubrifiant du genre polytétrafluoroéthylène, ou encore fabriqué dans un alliage antifriction tel qu'un bronze au plomb. Dispositif mécanique d'injection d'air comprimé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la tige de contrôle de l'injection d'air (1-7) est fabriquée en acier inoxydable revêtu d'une couche mince antifriction telle qu'un dépôt de nitrure de titane, ou de polymère lubrifiant, du genre polytétrafluoroéthylène, ou encore fabriquée dans un alliage antifriction tel qu'un bronze au plomb. Dispositif mécanique d'injection d'air comprimé selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte une chambre d'expansion (1-17), dans laquelle se déplace le piston, dans laquelle deux ouvertures sont pratiquées, dont l'une (1-4-1) permet l'entrée d'air à la pression atmosphérique, l'autre ouverture (1-3) permet l'évacuation de l'air comprimé injecté après qu'il se soit détendu. Dispositif mécanique d'injection d'air comprimé selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte un piston (1-8) circulant dans une chambre d'expansion fabriquée dans un alliage à haute conductibilité thermique, tel qu'un alliage d'aluminium ou un alliage cuivreux, pour faciliter les échanges de température entre la chambre du piston et l'atmosphère extérieure. Procédé de fonctionnement du dispositif mécanique d'injection d'air comprimé selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'air du système d’injection est comprimé à haute pression dans la chambre de déplacement du piston (1-17), ladite chambre étant préchauffée grâce à la compression de l'air extérieur lors de la remontée du piston, l'air extérieur pénétrant à la pression atmosphérique via l'ouverture (1-4-1) étant comprimé de telle manière que sa température soit supérieure à 100°C.