Brevet FR3149642A1 — publié le 20241213

Moteur à azote liquide dont une partie de l'énergie permettant son fonctionnement résulte de la compression de l'air prélevé à l'extérieur du moteur. « Figure à publier pour l’abrégé : [Fig. 7] » Moteur à azote liquide et cycle d'injection de l'azote liquide dans un moteur deux temps. 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 conception de systèmes de stockage et de restitution d'énergie électrique en procédant de la manière suivante : -L'air est comprimé à haute pression, typiquement des pressions supérieures à 300 bars, en utilisant les compresseurs disponibles sur le marché. -Cet air comprimé est stocké dans des bonbonnes conçues pour résister à ces hautes pressions puis, selon les besoins, est injecté dans les chambres des pistons d'un moteur. -Le moteur à air comprimé est couplé soit aux organes de transmission mécanique d'un véhicule pour en assurer la mobilité, soit à une génératrice d'électricité, de préférence une génératrice à aimants permanents. Dans le cas du couplage à une génératrice, on dispose ainsi d'une source de courant et de tension qui peut se substituer aux systèmes de batteries ou à d'autres moyens de stockage d'énergie tels que les super-capacités. Le courant issu de cette génératrice peut ainsi être transformé, puis être couplé à un moteur électrique, ce qui permettra de faire fonctionner un véhicule électrique. La durée de fonctionnement du système dépend de la quantité d'air comprimé stocké, de la consommation d'air par le moteur et, par conséquent, du type de moteur à air comprimé et du cycle d'injection de l'air comprimé dans ce moteur. L'invention, objet du présent brevet, décrit un moteur fonctionnant à l'azote liquide, et un cycle d'injection d'azote liquide dans un moteur, conçu selon le principe connu des moteurs à explosion dits à "deux temps" ou des moteurs dits "diesel". Un moteur "deux temps", à explosion , fonctionne selon les étapes des cycles schématisés sur la . De l'air extérieur, qui est à la pression atmosphérique, est aspiré par l'aspiration d'air (1.2) Lorsque le piston (3-1) se déplace vers le haut dans la chambre du piston (1-3). L'air extérieur mélangé à de l'essence est aspiré dans la chambre du vilebrequin (3-3) située sous le piston. (b). Un clapet (1-2-1) s'ouvre et se ferme en phase avec le déplacement du piston du moteur dans sa chambre. Lorsque le piston monte, l'air extérieur est aspiré dans le bas-moteur et le clapet (1-2-1) est ouvert. En redescendant, le piston comprime l'air de la chambre du vilebrequin. Le clapet (1-2-1) est fermé. Lorsque la fenêtre d'injection d'air (1-1) est dégagée, quand le piston redescend, le mélange air/essence de la chambre du vilebrequin est injecté dans la chambre du piston (1-3). Un déflecteur (3-1-1) oriente le mélange vers le haut de la chambre du piston. Ce mélange chasse, via l'orifice de sortie (1-4), les résidus de combustion résultant de l'explosion du cycle précédent, présents dans la chambre du piston (a). En remontant, le piston couvre l'orifice de sortie (1-4) et comprime le mélange air/essence qui atteint une haute température, (c). Une étincelle fournie par la bougie (4) fait exploser le mélange qui repousse violemment le piston vers le bas, (d), et le cycle reprend. Sous l'effet de la compression, si le taux de compression du mélange dans la chambre du piston est suffisant, le mélange peut être porté à une température élevée, supérieure à 600 K ce qui fait que, dans les moteurs diesel, le mélange explose spontanément. Par taux de compression, on entend le volume maximum d'air aspiré dans la chambre du piston divisé par le volume de cet air comprimé par le piston en position haute. La chambre du piston (1-3), et le moteur, sont fabriqués dans un alliage, de préférence à capacité calorifique élevée, à haute conductibilité thermique, tel qu'un alliage d'aluminium, pour refroidir la chambre du piston du moteur thermique. Notre invention va être décrite plus précisément dans la suite de ce texte en utilisant le schéma de moteur de la et de la où deux coupes du moteur sont présentées schématiquement. Le [Tableau 1] décrit la liste des composants qu'on retrouve dans les ou la ou la . Bloc moteur (1) Pièces en mouvement (3) Chambre du vilebrequin (3-3) Fenêtre d'injection d'air dans la chambre du piston (1-1) Canal de circulation d'air dans le bas moteur (1-1-1) Aspiration d'air extérieur dans le bas moteur (1-2) Clapet d'entrée d'air extérieur (1-2-1) Chambre du piston (1-3) Sortie d'air détendu (1-4) Bougie (4) Piston (3-1) Déflecteur d'air entrant dans la chambre du piston (3-1-1) Cf. [Fig.1] Bielle (3-2) Axe moteur (3-4) Masselotte d'équilibrage/volant (3-5) Gorge de joint d'étanchéité (3-6) qui n'est pas représenté sur les schémas. Injection d'azote liquide Moteur à azote liquide [Fig. 4] Système d'injection d'azote liquide (4-1) Contrôle électronique injection azote liquide (4-1-1) Tube d'azote liquide (4-1-2) relié à une bonbonne d'azote liquide non représentée sur la figure. Buse injection azote liquide dans la chambre du piston (4-1-3) Cavité de circulation de l'air comprimé (5) Soupape de sortie d'air comprimé et Soupape de sortie d'air (5-1) Arbre à came et système d'activation de la soupape (5-2) (soupape, tige, ressort, came). Sortie air comprimé vers l'extérieur (5-3) Bougie de chauffage de la cavité du piston. (7) Isolation thermique de la cavité de circulation d'air (6) Goutte d'azote liquide (8) [Fig. 5] et [Fig. 6] Vapeur d'azote liquide (9) [Fig. 5] et [Fig. 6] Lors de l'injection de l'air extérieur via le canal (1-1-1), dans la chambre du piston (1-3), la compression de l'air par la le piston va porter cet air à une pression élevée et à une température élevée. Selon le taux de compression de l'air, la température de la chambre du piston, lorsque le piston est en position haute peut dépasser les 600 degrés Kelvin, et la pression dans la chambre plusieurs dizaines de bars. Pour maintenir la chambre du piston à une température élevée, et dans tous les cas supérieure à la température de congélation de l'eau (273 K / 0°C) qui est toujours contenue en traces dans l'azote liquide, et pour éviter le blocage du piston par de la glace : -On peut placer autour de la chambre du piston, un serpentin contenant un fluide caloporteur contenant un liquide chauffé. -On peut utiliser une bougie de chauffage (7), qui dans tous les cas est nécessaire pour démarrer le moteur à azote liquide, dont la cavité doit être chauffée pour éviter le blocage du piston au démarrage du moteur par congélation de l'humidité de l'air. Cette bougie est alimentée par une batterie, ou une génératrice, non représentées sur les dessins. On peut aussi maintenir une température élevée dans la chambre du piston en faisant circuler l'air comprimé à haute température dans une cavité (5) , entourant la chambre du piston. Laquelle chambre de circulation de l'air est isolée thermiquement (6), pour minimiser les échanges de température avec l'extérieur du moteur. Le principe d'un tel chauffage est décrit dans le brevet FR 3115313. Les flèches indiquent le sens de circulation de l'air chaud dans la cavité. Cet air sort par la sortie d'air (5-3). Dans notre invention, , le moteur à azote liquide comprend au moins un système d'injection d'azote liquide (4-1), l'azote liquide est stocké dans une bonbonne d'azote liquide, non représentée sur la figure, qui entre par le tube (4-1-2) puis est injecté dans la chambre du piston (1-3) par la buse d'injection (4-1-3). Le système est commandé électroniquement via le composant (4-1-1) La décrit les principales étapes du fonctionnement du moteur à azote liquide : (b) Lorsque le piston (3-1) monte, il y a aspiration de l'air extérieur, qui est à la pression atmosphérique de 1 bar, via l'aspiration d'air (1-2) et injection dans la chambre du vilebrequin (3-3). (a) En redescendant le piston (3-1) comprime l'air provenant de l'extérieur, et lorsque la fenêtre d'injection d'air (1-1) est découverte, l'air venant de l'extérieur est injecté dans la chambre du piston (1-3) via le canal (1-1-1) tandis que l'azote vaporisé du précédent cycle est évacué via l'orifice (1-4). (b) En remontant, le piston (3-1) comprime l'air injecté dans la chambre du piston (1-3), à une pression qui peut atteindre plusieurs dizaines de bars selon le taux de compression, typiquement supérieure à 30 bars, et ceci provoque l'échauffement de l'air du piston à une température élevée, typiquement supérieure à 600K. (c) Lorsque le piston (3-1) atteint sa position supérieure, le point mort haut, on ouvre le système d'injection d'azote liquide qui envoie une ou plusieurs gouttes d'azote liquide (8) dans le volume chauffé à haute température. (d) L'azote se vaporise brusquement (9) et exerce une pression P importante sur le piston (3-1). Cette pression dépend de la quantité d'azote liquide injectée, et de la température de l'air comprimé. Cette pression P s'ajoute à la pression de l'air prélevé à l'extérieur et comprimé par le piston. Le cycle reprend ensuite (a) Pour accélérer l'évaporation de la goutte d'azote liquide il faut que la surface du piston soit rugueuse. On préférera une rugosité Ra> 1,6µm. En utilisant la théorie des gaz parfaits, on peut calculer que, lorsqu'une goutte d'azote liquide se vaporise à la température ambiante, T=20°C, et à la pression atmosphérique (P=101325Pa ou 1bar environ), le volume V de l'azote gazeux obtenu est approximativement 683 fois le volume Vg de la goutte d'azote liquide. Par exemple une goutte d'azote liquide de 1 ml de volume donnera 683 ml d'azote gazeux à la pression approximative de 1bar. Ainsi, en considérant que l'azote gazeux serait un gaz parfait, si on injecte une goutte de 1ml dans un volume égal à (683ml/2) =341.5ml, la pression de l'azote gazeux sera de 2 bars. Et donc, si le volume où est injectée la goutte d'azote liquide est divisé par 10, soit 6,8 ml, la pression sera de 10 bars. Si on applique la formule des gaz parfaits, PV=nRT, et soit P la pression du gaz, V le volume de l'enceinte, n le nombre de moles de gaz, R la constante des gaz parfaits, T la température de l'air comprimé exprimée en degrés kelvin. On peut considérer que la pression de l'azote gazeux résultant de l'évaporation de l'azote liquide dans la chambre du piston, est proportionnelle à la température T de l'air comprimé dans la chambre du piston, lorsque le piston est au point mort haut. Cette température T dans l'enceinte dépend des paramètres suivants : La masse (faible) d'azote liquide injectée dans la chambre du piston, la capacité calorifique de l'azote liquide, La masse d'air comprimé dans la chambre du piston, la capacité calorifique de l'air comprimé, La chaleur latente d'évaporation de l'azote liquide. L'azote liquide refroidit le volume en s'évaporant. De la nature des alliages de la chambre de déplacement du piston. La température d'ébullition de l'azote qui est de 77,4 K / -196°C environ, à la pression atmosphérique. On peut injecter une goutte calibrée d'azote liquide qui se vaporisera dans la zone comprimée par le piston, ou injecter une nébulisation de gouttes d'azote liquide. La pression dans la chambre du piston sera approximativement la somme des pressions partielles de l'azote devenu gazeux et de la pression partielle de l'air comprimé à haute température présent dans la chambre du piston. L'air comprimé à haute température étant composé de 78% d'azote, l'ensemble se comporte approximativement comme un volume unique d'azote. L'injection de gouttes d'azote liquide peut se faire à des fréquences élevées, par exemple égales à 500 Hz. Le couple du moteur, la fréquence de rotation du moteur, dépendront principalement du taux de compression du moteur, de la masse d'azote liquide injectée dans la chambre du piston et de la fréquence de l'injection des gouttes d'azote liquide. Le régime du moteur évolue vers un régime stationnaire où la température de la chambre du piston (1-3), résultant de la compression de l'air extérieur, va atteindre une valeur qui dépend de nombreux paramètres qui doivent être adaptés en fonction des performances attendues du moteur : Le taux de compression dans la chambre du piston. Le type d'alliage de la chambre du piston et de la culasse, la capacité calorifique et la conductivité thermique de ces alliages. L'isolation de la chambre du piston. Mais, injecter de l'azote liquide, dans un volume contenant de l'air comprimé, présente une contrainte : on se trouve alors dans une situation où c'est le taux de compression de l'air provenant de l'extérieur, et comprimé par le piston, qui définit la pression minimale qui s'exercera sur le piston après injection de l'azote liquide. Car la pression de l'azote vaporisé va s'ajouter à la pression de l'air comprimé provenant de l'extérieur. Ceci ne permet donc pas de contrôler finement, la consommation d'azote liquide, et de moduler finement la vitesse de rotation du moteur en contrôlant par exemple la fréquence d'injection du volume d'azote liquide dans la chambre du piston (1-3). Pour pouvoir moduler finement le couple s'exerçant sur le piston, il faut donc d'une part diminuer la pression dans le piston après compression de l'air provenant de l'extérieur et d'autre part conserver la température du piston très supérieure à 300K. Pour améliorer le comportement thermique du système, et contrôler finement la quantité d'azote liquide injectée, le moteur peut être modifié en ajoutant : Une soupape pour l'extraction de l'air comprimé (5-1), qui avait été prélevé à 1 bar à l'extérieur du moteur, puis comprimé par le piston. Cette soupape est pilotée par un système d'arbre à came (5-2) qui peut être remplacé utilement par un système de contrôle électromagnétique de ladite soupape. Une bougie de chauffage de la chambre du piston (7) reliée à une batterie. Un second principe de fonctionnement du moteur à azote liquide est décrit . Une coupe plus détaillée est présentée , où figure une goutte d'azote liquide injectée dans le moteur (8) et la vapeur d'azote (9). - (b) Juste avant l'injection d'azote liquide, une soupape (5-1), contrôlée mécaniquement ou électroniquement, s'ouvre et laisse échapper l'air comprimé à haute température, puis cette soupape est fermée. L'air comprimé, et très chaud, est injecté dans le volume (5) entourant la chambre du piston (1-3). L'ensemble est enveloppé d'un isolant thermique (6), ce qui permet de maintenir la chambre du piston à une température élevée - (c) Une goutte d'azote liquide (8) est ensuite injectée dans la chambre du piston (1-3) qui est approximativement à la pression atmosphérique, tout en conservant une température élevée du volume. - (d) L'azote se vaporise (9) au contact des parois du piston et de la chambre du piston et repousse brutalement le piston. - [( ] (a) L'azote vaporisé et détendu s'évacue, et de l'air provenant de l'extérieur entre dans le piston. Le cycle recommence. Cette température de la chambre du piston dépend aussi du taux de compression de l'air prélevé à l'extérieur, de la quantité d'azote liquide injectée dans la chambre du piston, ainsi que des matériaux utilisés pour la fabrication du moteur. Cependant, lors du fonctionnement du moteur, la température environnant le moteur peut être particulièrement basse, par exemple dans les régions polaires. Dés lors, pour le démarrage du moteur, ou en cours de fonctionnement, on maintiendra une température supérieure à 400K en utilisant une bougie de chauffage (7) couramment utilisée pour les moteurs diesels. Cette bougie peut être alimentée en utilisant une faible partie de l'énergie électrique fournie par la batterie ou par un alternateur couplé au moteur. Moteur à azote liquide, conçu selon le principe de fonctionnement d'un moteur deux temps, comportant : une aspiration d'air (1.2) par laquelle entre de l'air provenant de l'extérieur qui est à la pression atmosphérique ; un clapet (1-2-1) qui s'ouvre et se ferme en phase avec le déplacement du piston du moteur ; un canal (1-1-1) et une fenêtre d'injection (1-1) par lesquels l'air extérieur pénètre dans la chambre de déplacement du piston (1-3); un piston (3-1) qui se déplace dans la chambre (1-3); un système d'injection d'azote liquide (4-1) qui est stocké dans une bonbonne d'azote liquide, comprenant un contrôle électronique de l'injection (4-1-1), un tube d'azote liquide (4-1-2) relié à une bonbonne de stockage, une buse d'injection d'azote liquide (4-1-3) dans la chambre (1-3) du piston; une sortie (1-4) par laquelle s'évacue le mélange d'air détendu et d'azote gazeux lors de la descente du piston; un piston (3-1) qui est couplé à une bielle (3-2) et à un volant (3-5); un bloc moteur (1) et une culasse de moteur (6) fabriqués en alliage d'aluminium ou en alliage à capacité calorifique élevée. Moteur à azote liquide selon la revendication 1 comportant une cavité cylindrique (5) placée autour de la chambre du piston ; une soupape de sortie de l'air comprimé (5-1) qui s'ouvre en phase avec le déplacement du piston (3-1) pour évacuer l'air extérieur comprimé à haute pression et haute température par le piston (3-1) dans la cavité (5); un arbre à came (5-2) et les tiges et ressorts associés qui activent la soupape de sortie d'air (5-1) ; une sortie d'air (5-3) permettant l'évacuation vers l'extérieur de l'air comprimé à haute pression par le piston (3-1), une isolation thermique (6) étant placée autour de de la cavité (5) Moteur à azote liquide selon la revendication 2 , dont l'arbre à came (5-2), et les tiges et ressorts associés, peuvent être remplacés par un système électronique d'activation de la soupape d'évacuation d'air (5-1). Moteur à azote liquide selon les revendications 1 et 2 dont le piston a une surface de rugosité Ra supérieure à 1.6 µm. Moteur à azote liquide selon la revendication 1, comportant une bougie de chauffage (7) de la chambre de déplacement du piston, connectée à une batterie ou à une génératrice électrique, permettant de maintenir la chambre du piston à une température supérieure à300K. Procédé de fonctionnement d’un moteur à azote liquide selon les revendications 1, 3, 4 et 5, comportant les étapes suivantes [Fig. 5]: Compression à haute température et haute pression par le piston (3-1) de l'air aspiré à l'extérieur, via l'aspiration d'air (1-2), et qui a été injecté dans la chambre du piston (1-3). Puis, injection de gouttelettes d'azote liquide (8) dans la chambre du piston, lorsque le piston atteint son point mort haut, via la buse d'injection (4-1-3) alimentée par le tuyau (4-1-2), lequel tuyau est connecté à une bonbonne d'azote liquide, l'injection étant contrôlée électroniquement par le système d'injection (4-1). Vaporisation de l'azote liquide au contact de l'air comprimé à haute pression et à haute température supérieure à 400K. Détente brutale du mélange air / azote qui pousse le piston (3-1), ce qui fait tourner le moteur. Éjection du mélange azote / air détendu via la sortie (1-4) lorsqu'elle n'est plus masquée par le piston (3-1). Retour à la première étape Procédé de fonctionnement d’un moteur à azote liquide selon les revendications 1, 2, 3, 4, et 5, permettant le contrôle de la pression appliquée au piston et comportant les étapes suivantes [Fig. 6] : -Compression à haute température et haute pression par le piston (3-1) de l'air aspiré à l'extérieur, via l'aspiration d'air (1-2), et qui a été injecté dans la chambre du piston (1-3). -Ouverture de la sortie d'air (5-1) pour l'évacuation de l'air comprimé à haute pression et à haute température de la chambre du piston et éjection de cet air dans la cavité cylindrique (5), juste avant que le piston n'atteigne son point mort haut. -Injection de gouttelettes d'azote liquide dans la chambre du piston, qui est approximativement à la pression atmosphérique lorsque le piston atteint son point mort haut, via la buse d'injection (4-1-3) alimentée par le tube (4-1-2), lequel tube est connecté à une bonbonne d'azote liquide, l'injection étant contrôlée électroniquement par le système d'injection (4-1). -Vaporisation brutale de l'azote liquide au contact des parois chaudes de la chambre du piston et de la surface du piston. -Détente brutale de l'azote qui pousse le piston (3-1), ce qui fait tourner le moteur. -Éjection de l'azote détendu via la sortie (1-4) lorsqu'elle n'est plus masquée par le piston (3-1). 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