Brevet FR3141716A1 — publié le 20240510

Dispositif d'injection d'air comprimé à haute pression, dans un moteur à air comprimé, comprenant un système de contrôle de l'injection d'air comprimé à haute pression dans le moteur, caractérisé en ce que l'air comprimé est injecté dans la chambre du piston préalablement chauffée à haute température. [Fig. 7] Moteur à air comprimé et cycle d'injection de 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 conception de systèmes de stockage et de restitution d'énergie 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 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. 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 et du cycle d'injection de l'air comprimé dans ce moteur. Le brevet FR 3 115 333 décrit une valve d’injection d’air comprimé dans un moteur à air comprimé. Le brevet FR 3 115 333 affirme aussi qu’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 qui serait à température élevée, ou en récupérant la chaleur d'une autre source pour chauffer le moteur. En comprimant un volume d'air prélevé à la pression atmosphérique, à l'extérieur du moteur, selon le principe utilisé dans les moteurs thermiques "diesel" ou les moteurs thermiques dits "deux temps". L'invention, objet du présent brevet, décrit un moteur à air comprimé, et un cycle d'injection d'air comprimé dans ce moteur, conçu selon le principe connu des moteurs à explosion dits à "deux temps" ou des moteurs "diesel". Un moteur deux temps, à explosion, fonctionne de la manière suivante, , les étapes de ce cycle de combustion sont schématisées sur la . a- De l'air extérieur, qui est à la pression atmosphérique, est aspiré par l'entrée d'air (1.2) lorsque le piston (3-1) se déplace vers le haut. L'air extérieur mélangé à de l'essence est aspiré dans la chambre du vilebrequin (3-3) située sous le piston. image b. b- Un clapet (1-2-1) s'ouvre et se ferme en phase avec le déplacement du piston du moteur. Lorsque le piston monte l'air extérieur est aspiré dans le bas-moteur et le clapet (1-2-1) est ouvert. c- En redescendant, le piston comprime l'air de la chambre du vilebrequin. Le clapet (1-2-1) est fermé. Lorsque l'orifice (1-1) est dégagé, quand le piston redescend, le mélange air/essence de la chambre du vilebrequin est injecté dans la chambre (1-3) du piston. Ce mélange chasse les résidus de combustion, résultant de l'explosion du cycle précédent, présents dans le volume supérieur du piston via l'orifice de sortie (1-4). image a. d- En remontant, le piston couvre l'orifice de sortie (1-4) et comprime le mélange air/essence qui atteint une haute température, image c. Une étincelle fournie par la bougie (4) fait exploser le mélange qui repousse violemment le piston vers le bas, image d, et le cycle reprend. Sous l'effet de la compression, le mélange peut être porté à une température élevée, supérieure à 400°C, si le taux de compression est suffisant, ce qui fait que dans les moteurs diesel, le mélange explose spontanément. La chambre d'expansion 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 favoriser le refroidissement de 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 qui présente une coupe du moteur à air comprimé. On identifie les composants suivants sur la ainsi que sur la : Bloc moteur (1) Pièces en mouvement (3) Chambre du vilebrequin (2) Piston (3-1) Fenêtre d'injection d'air dans le cylindre (1-1) Déflecteur d'air entrant (3-1-1) Canal de circulation d'air dans le bas moteur (1-1-1) Bielle (3-2) Aspiration d'air extérieur dans le bas moteur (1-2) Vilebrequin (3-3) Clapet d'entrée d'air extérieur (1-2-1) Axe moteur (3-4) Chambre du piston (1-3) Masselotte d'équilibrage/volant (3-5) Sortie d'air détendu (1-4) Gorge joint d'étanchéité (3-6) [Fig. 3] et [Fig. 4] [Fig. 4] Entrée d'air comprimé haute pression (4-1) Sortie d'air comprimé (5-1) Soupape d'entrée d'air comprimé haute pression (4-2) Soupape de sortie d'air comprimé (5-2) Tige (4-3) Tige (5-3) Ressort de soupape (4-4) Ressort de soupape (5-4) Plaque d'appui de la came (4-5) Plaque d'appui de la came (5-5) Arbre à came gauche (4-6) Arbre à came droit (5-6) Culasse du moteur (6) Pour la compréhension de notre invention : On appellera "air comprimé", l'air venant de l'extérieur injecté dans le bas moteur (1) à la pression atmosphérique (1 bar) via le clapet (1-2-1) puis comprimé par le piston. On appellera "air injecté à haute pression", l'air comprimé à très haute pression, par exemple à plus de 300 bars, et stocké dans une ou plusieurs bonbonnes de stockage, puis détendu à l'aide d'un régulateur de pression, pour être ensuite injecté dans le moteur à air comprimé grâce à la valve d'injection (4-2). Lors de l'injection de l'air extérieur via le canal (1-1-1), dans la chambre du piston (1-3), la compression du cylindre va porter cet air à une pression et à une température élevée. Selon le taux de compression adiabatique de l'air, la température du volume du cylindre, lorsque le piston est en position haute, peut dépasser les 600 degrés Kelvin et la pression plusieurs dizaines de bars. Lorsqu'on injecte de "l'air comprimé haute pression", via l'entrée d'air haute pression (4-1) et la soupape (4-2) dans le volume du cylindre (1-3), cet "air injecté à haute pression" se détend, et sa température s'abaisse. L'air comprimé haute pression qui s'est détendu, mais refroidi, rencontre donc un air très chaud, et une paroi chaude, ce qui en principe, va augmenter sa pression. Mais procéder de cette manière présente un inconvénient : il faut toujours injecter de l'air haute pression à une pression supérieure à celle de l'air comprimé dans la chambre du piston, sinon c'est l'air du piston qui va rentrer dans le réservoir. On se trouve alors dans une situation où c'est le taux de compression de l'air comprimé par le piston, provenant de l'extérieur, qui définit la pression minimale à injecter dans le cylindre. Ceci ne permet donc pas de contrôler, et donc d'optimiser finement, la consommation d'air, et de moduler la vitesse de rotation du moteur en contrôlant par exemple la pression et le débit de l'air comprimé à haute pression injecté dans la chambre du cylindre, via la soupape (4-2). Dés lors, si on veut bénéficier de l'avantage d'injecter de l'air comprimé dans une zone chaude, et de contrôler la quantité d'air injectée, il faut procéder différemment, ce qui peut être compris sur la . Dans ce cas, , le moteur a une soupape d'injection d'air comprimé (4-2) et une soupape pour l'extraction de l'air comprimé (5-2) qui avait été prélevé à 1 bar à l'extérieur du moteur, puis comprimé par le piston. La décrit les principales étapes du contrôle de l'injection de l'air dans le piston du moteur : On se rappelle que lorsque le piston monte, il y a aspiration de l'air à l'extérieur, à la pression de 1 bar, via le tube (1-2) et injection dans la chambre du vilebrequin (2). En redescendant le piston comprime l'air provenant de l'extérieur, et lorsque l'orifice (1-1) est découvert, l'air venant de l'extérieur est injecté dans la chambre du piston (1-3) via le canal (1-1-1) tandis que l'air comprimé du précédent cycle est évacué via l'orifice (1-4). En remontant, le piston comprime l'air injecté dans la chambre du piston, à une pression qui peut atteindre plusieurs dizaines de bars, typiquement 30 bars, et provoque l'échauffement de l'air du cylindre à une température élevée, typiquement 600K. Juste avant que le piston n'atteigne sa position supérieure, le point mort haut, on provoque ouverture de la soupape (5-2) pour vider la chambre du piston de l'air provenant de l'extérieur qui a été comprimé à pression élevée et qui est à haute température. En procédant ainsi, la température des parois du cylindre du piston va se stabiliser progressivement vers une température élevée Puis on injecte de l'air comprimé haute pression via la vanne (4-2) dans la chambre du cylindre (1-3). L'air injecté à haute pression via la soupape (4-2), dans le corps du cylindre (1-3), a une température qui baisse mais, comme il rencontre les parois chaudes du cylindre, la pression de l'air injecté haute pression augmente brusquement et donc augmente la force appliquée sur le piston du cylindre. La pression de l'air injecté à haute pression ne dépend plus de la pression de l'air comprimé par le piston. Lorsque le piston descend jusqu'à son point mort bas, l'air comprimé haute pression est éjecté via l'orifice (1-4), et le piston remonte grâce à l'inertie de la masselotte d'équilibrage (3-3). Le système 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 élevée qui dépend de nombreux paramètres : Le taux de compression du cylindre, rapport entre son volume au point mort bas, et son volume au point mort haut. Le type d'alliage du cylindre, du piston et de la culasse, leur capacité calorifique et leur conductivité thermique L'isolation de la chambre du cylindre. On comprend qu'on aura les meilleures performances en consommation d'air en maintenant la culasse du moteur à température élevée. Il suffit d'envoyer de l'air à une pression modérée dans le volume du piston préalablement chauffé. Le procédé objet de l'invention est décrit, et , en utilisant un système de soupapes dont le déplacement est contrôlé mécaniquement par des arbres à came, ce qui permet de concevoir un moteur complétement mécanique. Cependant le système de contrôle des soupapes peut être conçu avantageusement en utilisant un système électronique d'injection de l'air comprimé haute pression et un système électronique de contrôle du clapet d'aspiration de l'air provenant de l'extérieur ainsi que de son évacuation. Ces systèmes électroniques sont disponibles pour l'injection d'essence ou de diesel, et de contrôle des soupapes des moteur thermiques. L'homme de l'art sait les adapter à un moteur à air comprimé tel que le décrit ce brevet. Cependant la faible capacité calorifique de l'air limite l'échauffement de la chambre du piston et, pour conserver une température élevée dans la chambre du piston, il faut favoriser les échanges thermiques entre l'air comprimé et la paroi du cylindre. Pour ce faire on crée une cavité cylindrique (8-1) autour du volume du corps du piston comme le présente les et . L'alliage pour créer le cylindre, autour de la chambre du piston, est de la même nature que l'alliage utilisé pour la culasse du moteur : un alliage d'aluminium ou de cuivre. Ce volume peut être créé par les techniques de fonte à la cire perdue, bien maitrisées pour la fabrication des moteurs. Une isolation thermique (8-3) peut être installée autour de cette cavité pour limiter les échanges thermiques de la cavité avec l'extérieur. L'épaisseur de la cavité est définie de telle manière que des turbulences de l'air évacué favorisent les échanges thermiques de l'air chaud avec les parois de la cavité. Dans ce cas l'air prélevé à l'extérieur et comprimé à haute température, est éjecté hors de la chambre du piston via la soupape (5-2) et injecté dans la chambre par le tube (5-1). L'air à haute température circule autour de la chambre du cylindre et maintient cette chambre à haute température, avant de s'évacuer par l'orifice (8-4) placé à l'opposé de la sortie d'air (5-1). Ainsi, l'injection d'air comprimé à haute pression, via la soupape (4-2), dans le volume de la chambre du piston (1-3) qui est maintenu à haute température, provoque une dilatation brusque de cet air et accroit fortement sa pression. Ceci permet de créer une pression élevée sur le piston, tout en limitant la consommation d'air comprimé à haute pression. L'air injecté à haute pression va ensuite s'évacuer par l'orifice (1-4) conçu pour l'évacuation de l'air détendu. On a créé ainsi deux circuits de circulation distincts pour l'air comprimé par le piston, prélevé à l'extérieur, et l'air comprimé à haute pression, stocké dans les bonbonnes. Ceci permet de maintenir la chambre du piston à haute température. Ceci constitue un procédé pour prélever de l'énergie dans l'environnement extérieur à l'ensemble constitué par les bonbonnes de stockage et le moteur, et donc d'améliorer le rendement du moteur à air comprimé, et de diminuer la consommation d'air stocké à très haute pression. Moteur à air comprimé, 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 un orifice (1-1) par lesquels l'air extérieur pénètre dans la chambre d'expansion du piston (1-3); un piston (3-1) qui se déplace dans la chambre (1-3); une entrée d'air comprimé haute pression (4-1) et une soupape d'entrée d'air comprimé (4-2) par laquelle est injecté de l'air comprimé à très haute pression qui est stocké dans une ou plusieurs bonbonnes de stockage; une soupape de sortie de l'air comprimé (5-2) qui s'ouvre en phase avec le déplacement du piston (3-1) pour évacuer l'air extérieur comprimé à haute pression et haute température via la sortie d'air comprimé (5-1) ; une sortie d'air détendu (1-4) par laquelle s'évacue l'air détendu lors de la descente du piston; un arbre à came (4-6) et les tiges et ressorts associés qui contrôle la soupape d'entrée d'air (4-2); un arbre à came (5-6) et les tiges et ressort associés qui contrôle la soupape (5-2); 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 de cuivre. Moteur à air comprimé selon la revendication 1 comportant une cavité cylindrique (8-1) placée autour du volume du corps du piston, un orifice (8-4) permettant l'évacuation de l'air comprimé à haute pression par le piston (3-1). Moteur à air comprimé selon la revendication 2 comportant une isolation thermique (8-3) placée autour de la cavité. Moteur à air comprimé selon la revendication 1 , dont les arbres à cames (4-6) et (5-6) sont remplacés par un système électronique d'injection Procédé de fonctionnement d’un moteur à air comprimé selon les revendications précédentes, comportant les étapes suivantes : Compression à haute température et haute pression par le piston (3-1) de l'air prélevé à l'extérieur, via l'entrée d'air (1-2), et qui a été injecté dans la chambre du piston (1-3). Aspiration de l'air extérieur, dans la chambre du vilebrequin (3-3), via l'entrée (1-2), lors du déplacement vers le haut du piston (3-1). Ouverture de la soupape (5-2) pour l'évacuation de l'air comprimé à haute pression et à haute température dans la cavité cylindrique (8-1), juste avant que le piston n'atteigne son point mort haut. Injection de l'air comprimé, stocké à très haute pression dans des bonbonnes, via la soupape d'entrée (4-2) lorsque le piston atteint son point mort haut. L'air injecté entre au contact des parois chaudes de la chambre d'expansion, se détend brutalement, et pousse vers le bas le piston (3-1), ce qui fait tourner le moteur. Ejection de l'air détendu via la sortie (1-4) lorsque cette sortie (1-4) n'est plus masquée par le piston (3-1). Compression à haute température et haute pression par le piston (3-1) de l'air prélevé à l'extérieur, via le clapet d'entrée d'air (1-2-1), et qui a été injecté dans la chambre du piston (1-3), via la fenêtre d'injection d'air (1-1).