CA2669322A1 - Energy recovery thermal engine equipped with a multiple-function dual effect piston - Google Patents

Energy recovery thermal engine equipped with a multiple-function dual effect piston Download PDF

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Abstract

Moteur thermique à récupération d'énergie thermique, équipé d'un piston multifonctions double effet, afin d'obtenir deux forces de travail par tour sur une seule bielle. L'invention concerne un moteur thermique doté d'un piston double effet, destiné à faire travailler la bielle (113) à la compression sous l'effet d'une explosion dans la chambre de travail supérieur (173) et à l'extension sous l'effet d'une force résultant d'une restitution d'énergie dans la chambre de travail inférieur (157), ces deux forces agissent sur chaque bielle et par tour. L'air comprimé dans la chambre de compres sion (156) est surchauffé lors de son passage dans l'échangeur de chaleur (105) avant d'agir sur le piston de compression récupération (109) qui est destiné à transformer l'énergie thermique en énergie mécanique par effet thermodynamique. Le moteur selon l'invention est destiné aux mêmes utilisations que les moteurs thermiques actuels.A thermal engine with thermal energy recovery, equipped with a multifunction piston with double effect, to obtain two working forces per revolution on a single connecting rod. The invention relates to a heat engine having a double-acting piston for operating the connecting rod (113) to compression under the effect of an explosion in the upper working chamber (173) and the extension under the effect of a force resulting from a return of energy in the lower working chamber (157), these two forces act on each rod and by turn. The compressed air in the compression chamber (156) is superheated as it passes through the heat exchanger (105) before acting on the recovery compression piston (109) which is intended to transform the thermal energy in mechanical energy by thermodynamic effect. The engine according to the invention is intended for the same uses as current thermal engines.

Claims (14)

1) Moteur thermique associé à un système intégré de transformation de la chaleur émise par le moteur thermique, par ce procédé la chaleur habituellement inutilisée est transformée en énergie mécanique pour augmenter le rendement du moteur thermique, système de transformation caractérisé
en ce que le dit système soit constitué d'un piston annulaire double effet (109 figure 1) solidaire du piston de travail (111 figure 1), que le piston annulaire double effet (109 figure 1) utilise l'une de ces faces pour comprimer de l'air, que l'air ainsi comprimé soit dirigé
vers les pièces chaudes de la partie moteur thermique (106 figure 1 ; 152 figure 2 ; 170 figure 3) pour ensuite être canalisé vers la chambre de restitution de travail (157 figure 2), pour qu'au moment de l'ouverture de la soupape (158 figure 2), l'air comprimé dilaté sous l'effet de la surchauffe vienne pousser sur l'autre face du piston annulaire double effet (109 figure 1), la différence d'énergie mécanique entre l'opération de compression de l'air comprimé et l'opération de détente de l'air comprimé
surchauffé, permet de contribuer à l'effort de compression du moteur thermique produite dans la chambre de travail du moteur thermique (173 figure 3), l'énergie mécanique non absorbée par le travail de compression du moteur thermique est communiqué à la bielle (113 figure 1) pour contribuer à
la puissance du moteur thermique, le système peut être multiple dans un but d'équilibrage ou de multiplication de la puissance. 1) Thermal engine associated with an integrated system of transformation of the heat emitted by the heat engine, by this process the usually unused heat is transformed into mechanical energy to increase the yield of the heat engine, transformation system characterized in that the said system consists of a piston annular double effect (109 figure 1) integral with the piston (Fig. 1), that the double annular piston effect (109 figure 1) uses one of these faces to compress air, that compressed air is directed to the hot parts of the heat engine part (106 figure 1 ; 152 Figure 2; 170 Figure 3) to then be channeled to the work restitution room (157 figure 2), so that when opening the valve (158 Figure 2), the compressed air dilated under the effect of the overheating come on the other side of the piston annular double effect (109 Figure 1), the difference of mechanical energy between the compression operation of compressed air and the operation of the compressed air overheated, contributes to the compression effort of the heat engine produced in the working chamber of the thermal engine (173 FIG. 3), the mechanical energy absorbed by the compression work of the engine is communicated to the connecting rod (113 figure 1) to contribute to the power of the engine, the system can be multiple for the purpose of balancing or multiplying the power. 2) Moteur thermique selon revendication 1, caractérisé en ce que la culasse (180 figure 3) du moteur thermique soit équipée d'une soupape d'échappement (123 figure 1) contrainte à l'ouverture par effet d'entraînement dans la fin de course basse du piston de travail (111 figure 1), le contact entre la soupape et le fond du piston peut être amorti par un ressort de contact, le dit piston de travail peut être équipé d'une soupape d'admission (124 figure 1) entraînée elle-même par le piston de travail (111 figure 1), la priorité à l'ouverture entre la soupape d'échappement (123 figure 1) et la soupape d'admission (124 figure 1) est conditionnée par la différence de résistance à la compression entre les ressorts (121 figure 1) et (125 figure 1), la soupape d'échappement (123 figure 1) peut être équipée d'un conduit (140 figure 2) destiné à son refroidissement. 2) heat engine according to claim 1, characterized in what the cylinder head (180 figure 3) of the engine is equipped with an exhaust valve (123 figure 1) constraint at opening by driving effect in the lower limit of the working piston (111 figure 1), the contact between the valve and the bottom of the piston can be cushioned by a contact spring, the said working piston can be equipped with an intake valve (124 figure 1) driven itself by the working piston (111 figure 1), the priority at the opening between the exhaust valve (123 figure 1) and the intake valve (124 figure 1) is conditioned by the difference in resistance to the compression between the springs (121 figure 1) and (125 figure 1), the exhaust valve (123 figure 1) can be equipped with a conduit (140 Figure 2) for its cooling. 3) Moteur thermique selon revendication 1 caractérisé en ce que la culasse du moteur à air chaud (159 figure 2) soit équipée d'une ou plusieurs soupape d'admission (158 figure 2) et soupape d'échappement (146 figure 2), que la ou les dite soupape soit contrainte à l'ouverture par une ou plusieurs came (191 figure 3) solidaire du vilebrequin (192 figure 3), que la ou les dite soupape soit ou non équipée d'un piston de compensation de pression. 3) heat engine according to claim 1 characterized in the cylinder head of the hot-air engine (159 Figure 2) is equipped with one or more inlet valves (158 2) and exhaust valve (146 Figure 2), that the said valve is constrained to opening by one or several cam (191 figure 3) integral with the crankshaft (192 FIG. 3), whether or not said valve is or is not equipped a pressure compensation piston. 4) Moteur thermique selon revendication 1 caractérisé en ce que les gaz d'admission sous pression atmosphérique ou sous pression résultant de l'utilisation d'un turbo-compresseur ou d'une turbine, soient envoyés vers la chambre de compression (156 figure 2), en passant au travers d'un ou plusieurs clapet anti-retour d'admission (108 figure 1), pour ensuite sous forme comprimée, qu'ils s'échappent par un ou plusieurs clapet anti-retour de sortie (128 figure 1), l'air comprimé est ensuite envoyé vers l'échangeur de chaleur (105 figure 1) situé d'une part sur la sortie d'échappement du moteur thermique (104 figure 1) et d'autre part sur le pourtour du moteur thermique, l'air comprimé
surchauffée est pulsée dans la conduite (150 figure 2) et admis par le passage libéré par la levée de la soupape d'admission (158 figure 2) du moteur à air chaud, la dite soupape d'admission est ouverte au moment de la remontée du dit piston de compression/récupération (109 figure 1), le dit piston ayant préalablement lors de sa fin de course de descente, comprimé un volume d'air emprisonner, la soupape d'échappement (146 figure 2) et la soupape d'admission (158 figure 2) étant fermées, ceci afin d'obtenir un effet ressort amortisseur de fin de course, se qui permet lors du début de la remontée du dit piston d'avoir une pression équivalente des deux côtés de la soupape d'admission (158 figure 2), dans le but de récupérer la quasi totalité de la puissance délivrée par le sur-chauffage de l'air comprimée au moment du début de la remontée du piston de compression/récupération (109 figure 1). 4) heat engine according to claim 1 characterized in what the intake gases under atmospheric pressure or under pressure resulting from the use of a turbo-compressor or turbine, be sent to the room of compression (156 Figure 2), passing through one or several admission check valves (108 figure 1), to then in compressed form, that they escape by a or several outlet check valves (128 figure 1), the compressed air is then sent to the heat exchanger.
heat (105 figure 1) located on the one hand on the exit exhaust of the engine (104 figure 1) and other on the periphery of the engine, the compressed air superheated is pulsed in the pipe (150 Figure 2) and admitted by the passage released by the lifting of the valve intake (158 Figure 2) of the hot air motor, the so-called intake valve is open at the moment of said piston compression / recovery (109 Figure 1), the said piston having previously at the end of its race descent, compressed a volume of air trapping, the valve exhaust (146 Figure 2) and the intake valve (158 FIG. 2) being closed, in order to obtain an effect end-of-stroke damping spring, which allows during the beginning of the ascent of said piston to have a pressure equivalent on both sides of the intake valve (158 figure 2), in order to recover almost the entire power delivered by overheating compressed air at the moment of the beginning of the rise of the piston of compression / recovery (109 figure 1). 5) Moteur thermique selon revendication 1, caractérisé en ce que l'intérieur du piston de travail (111 figure 1) soit ventilé par la circulation d'air résultant de l'échappement du moteur a air chaud (174 figure 3), et que cet air soit ensuite utilisé pour le gavage de la chambre de travail du moteur thermique (173 figure 3), au moment de l'ouverture de la soupape d'admission (124 figure 1) et de la soupape d'échappement (123 figure 1), les gaz d'échappement sont évacués sous la poussée de l'air d'admission vers la sortie d'échappement du moteur thermique (104 figure 1). 5) heat engine according to claim 1, characterized in what the inside of the working piston (111 figure 1) is ventilated by the air flow resulting from the exhaust of the hot-air engine (174 figure 3), and that this air be then used to force-feed the working chamber of the engine (173 Figure 3), at the time of opening of the intake valve (124 figure 1) and the valve exhaust (123 Figure 1), the exhaust gases are evacuated under the pressure of intake air to the outlet exhaust of the engine (104 Figure 1). 6) Moteur thermique selon revendication 4, caractérisé en ce que les gaz d'échappement du moteur thermique évacués de l'échangeur de chaleur (105 figure 1) ou l'air d'échappement évacué des sorties d'échappement (505 figure 6) (150 figure 2), soient canalisés au travers d'un ou plusieurs échangeur de chaleur (506 figure 6) (507 figure 6) (411 figure 3) (506 figure 3). 6) heat engine according to claim 4, characterized in what the engine exhaust gases evacuated from the heat exchanger (105 figure 1) or the exhaust air evacuated from the exhaust outlets (505 figure 6) (150 figure 2), be channeled through one or more exchanger of heat (506 Fig. 6) (507 Fig. 6) (411 Fig. 3) (506 Figure 3). 7) Moteur thermique selon revendication 1 caractérisé en ce que le film de graissage nécessaire au glissement des segments peut être diffusé par une ou plusieurs bagues poreuses, que la ou les dite bague soit approvisionnée en liquide de lubrification provenant du circuit de lubrification du dit moteur, ou que la ou les dite bague poreuse soie alimentée par un doseur de liquide de lubrification spécifique à cette fonction. 7) heat engine according to claim 1 characterized in what the lubricating film needed to slip the segments can be broadcast by one or more rings porous, that the said ring (s) is supplied with lubricating fluid from the circuit of lubrication of said engine, or that said ring (s) porous silk powered by a liquid doser lubrication specific to this function. 8) Moteur thermique selon revendication 1 caractérisé en ce que l'étanchéité par segmentation peut être assurée par deux segments (310 figure 4) superposés en contact avec un troisième segment (303 figure 4), que ces trois segments se logent dans une gorge ou appuient sur un épaulement et soient maintenus par un anneau élastique (302 figure 4) ou une bague (304 figure 4), les dit segments peuvent êtres équipés d'un système à ressort à titre d'exemple (307 figure 4), les montages peuvent être superposés, afin d'obtenir un espace annulaire (311 figure 4) en communication avec un circuit de lubrification spécifique, ou commun avec le circuit de lubrification du moteur, relié par un canal (305 figure 4) situé sur l'extrême partie basse de l'espace nécessaire entre le jeu de segments du bas et l'intérieur de la gorge, ou de l'épaulement contenant les dits segments, la dite lubrification assurant aussi une fonction de refroidissement. 8) heat engine according to claim 1 characterized in what segmentation sealing can be provided by two segments (310 Figure 4) superimposed in contact with a third segment (303 Figure 4), that these three segments lodge in a throat or press on a shoulder and are held by an elastic ring (302 figure 4) or a ring (304 figure 4), the said segments can be equipped with a spring system as an example (307 figure 4), the fixtures can be superimposed, in order to obtain a annular space (311 figure 4) in communication with a specific lubrication circuit, or common with the engine lubrication system, connected by a channel (305 Figure 4) located on the extreme lower part of the space necessary between the set of segments of the bottom and the inside of the groove, or shoulder containing the said segments, the said lubrication also ensuring a function of cooling. 9) Moteur thermique selon revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de restitution de travail (157 figure 2) comporte une sortie d'échappement (505 figure 6) vers l'extérieur ou vers une turbine et que la dite chambre soit en plus d'être soumise à la contrainte de pression du système de transformation de la chaleur en énergie mécanique, être soumise à une légère combustion d'assistance alimentée par un carburant ayant les même propriétés ou des propriétés différentes du carburant alimentant la chambre de travail du moteur thermique (173 figure 3), que cette alimentation en carburant le soit de façon permanente ou momentanée, ou que seulement l'une des deux dites chambres soit alimentée en carburant, le carburant injecté dans la chambre de restitution de travail (157 figure 2) se consumant au fur et a mesure de son injection du fait de la température élevée existante dans la dite chambre ou par un procédé d'élévation ponctuel et sectoriel de la température. 9) heat engine according to claim 1 characterized in what the work restitution chamber (157 figure 2) has an exhaust outlet (505 Figure 6) to outside or towards a turbine and that said chamber is in addition to being subjected to the pressure stress of the heat to energy conversion system mechanical, to be subjected to a slight combustion of assistance supplied by a fuel having the same properties or different properties of the fuel feeding the chamber of the work of the engine (173 figure 3), that this fuel supply is permanently or momentary, or that only one of these two chambers fueled, the fuel injected into the work restitution room (157 figure 2) is consuming as it was injected because of the existing high temperature in the said chamber or by a point and sectoral elevation of the temperature. 10) Moteur thermique selon revendication 1 caractérisé
en ce que les balourds engendrés par les mouvements des pièces mobiles (109, 111, 113 figure 1), peuvent être atténués par deux masses équivalentes intégrées ou non à des pièces existantes, tournant sur le même axe et ayant un sens de rotation opposé l'un à l'autre et dont les effets convergents s'opposent aux balourds des dites pièces mobiles. 10) heat engine according to claim 1, characterized in that the unbalances generated by the movements of moving parts (109, 111, 113 Figure 1), can be attenuated by two equivalent masses integrated or not into existing parts, turning on the same axis and having a meaning rotation opposite to each other and the effects of which convergent opposes the unbalance of the said parts mobile. 11) Moteur thermique selon revendication 1 caractérisé

en ce que le dit moteur thermique soit équipé d'une ou plusieurs soupape d'admission et d'une ou plusieurs soupape d'échappement, contraintes à l'ouverture par des systèmes autres que la butée mécanique conditionné par la fin de course de descente du piston de travail (111 figure 1),ces systèmes peuvent êtres de type hydrostatique, à air ou gaz comprimé, ou sous l'effet de l'action d'électro-aimant, ces systèmes sont soumis ou non à un mécanisme d'avance, ou de retard à l'ouverture ou fermeture des dites soupapes par un procédé géré par le résultat d'une lecture de type mécanique, hydraulique ou électronique de la vitesse de rotation. 11) heat engine according to claim 1, characterized in that the said engine is equipped with one or several intake valve and one or more valves exhaust, constraints on opening by systems other than the mechanical stop caused by the end of down stroke of the working piston (111 figure 1), these systems can be hydrostatic, air or gas compressed, or under the effect of the action of electromagnet, these whether or not the systems are subject to an advance mechanism, or delay in opening or closing the said valves by a process managed by the result of a type reading mechanical, hydraulic or electronic speed of rotation. 12) Moteur thermique selon revendication 1 caractérisé
en ce que l'air comprimé soit dévié par le moyen d'un système de vannes (401, 405, 409 figure 5), pour que cette énergie soit stocker dans un ou plusieurs réservoirs (402, 406, 410 figure 5) alimentés séparément ou simultanément, un premier réservoir (402 figure 5) peut être de petite contenance pour stocker l'énergie de courte restitution, le remplissage du premier réservoir (402 figure 5) peut déclencher le remplissage du second réservoir (406 figure 5) destinée à une deuxième restitution, le remplissage du second réservoir peut déclencher le remplissage du troisième réservoir (410 figure 5) destiné à une troisième restitution, et ceci sans limitation de possibilité, la (ou les) restitution d'énergie est obtenu par l'ouverture de la ou des vanne d'isolation de chaque réservoir, la ou les vanne (401 405 409 figure 5) peut être gérée manuellement ou commandée par gestion automatique suivant les besoins. 12) heat engine according to claim 1, characterized in that the compressed air is deflected by means of a valve system (401, 405, 409, FIG. 5), so that this energy is stored in one or more reservoirs (402, 406, 410 figure 5) powered separately or simultaneously, a first tank (402 Figure 5) can be small capacity to store the energy of short restitution, the filling the first tank (402 Figure 5) can trigger filling of the second tank (406 figure 5) intended for a second return, the filling of the second tank can trigger the filling of the third tank (410 figure 5) intended for a third restitution, and this without limitation of possibility, the (or the) restitution of energy is obtained by the opening of the or isolation valve of each tank, the valve (401 405 409 figure 5) can be managed manually or controlled by automatic management as needed. 13) Moteur thermique selon revendication 4 caractérisé

en ce que l'échangeur de chaleur (105 figure 1) intégré au dit moteur thermique, restitue par le contact des gaz d'échappement avec la cloison (106 figure 1) séparant les gaz d'échappement et l'air comprimé, la majeur partie de l'énergie thermique générée par les gaz d'échappement du dit moteur thermique, cette chaleur est transmise vers l'air comprimé sortie au travers du clapet anti-retour de sortie du compresseur (128 figure 1), l'air comprimé étant au préalable canalisé et préchauffé dans l'espace disponible situé entre les ailettes de refroidissement du moteur thermique et l'enveloppe la plus proche constituant le dit échangeur de chaleur (105 figure 1), les cloisons internes du dit échangeur (105 figure 1), qui n'on pas pour mission d'échanger la chaleur sont totalement ou partiellement pourvues d'absorbeurs d'ondes acoustiques, afin d'ajouter à
l'échangeur de chaleur (105 figure 1) une fonction d'absorbeur de son. 13) heat engine according to claim 4, characterized in that the heat exchanger (105 figure 1) integrated in the said engine, restores by the contact of the gases exhaust with the partition (106 Figure 1) separating the exhaust and compressed air, the major part of the thermal energy generated by the exhaust gases of the said heat engine, this heat is transmitted to the air compressed exit through outlet check valve the compressor (128 figure 1), the compressed air being pre-channeled and preheated in the available space located between the cooling fins of the engine thermal and the nearest envelope constituting the said heat exchanger (105 figure 1), the internal partitions said exchanger (105 figure 1), which is not for mission to exchange the heat are totally or partially equipped with acoustic wave absorbers, in order to add to the heat exchanger (105 figure 1) a function of sound absorber. 14) Moteur thermique selon revendication 4, caractérisé
en ce que les gaz d'échappement du moteur thermique évacués de l'échangeur de chaleur (105 figure 1) et l'air d'échappement évacué des sorties d'échappement (505 figure 6) se cumulent pour fournir de l'énergie cinétique à une double turbine (503 figure 6), cette double turbine restitue l'énergie cinétique des dit gaz d'échappement à l'air d'admission (502 figure 6), cet air d'admission est comprimé
dans la canalisation (501 figure 6) pour ensuite gaver la chambre de travail du moteur thermique (173 figure 3) en expulsant les dit gaz d'échappement vers l'extérieur de la dite chambre de travail. 14) heat engine according to claim 4, characterized in that the engine exhaust gases exhausted of the heat exchanger (105 Figure 1) and the air Exhaust exhausted from exhaust outlets (505 Figure 6) accumulate to provide kinetic energy to a double turbine (503 figure 6), this double turbine restores the kinetic energy of said exhaust gases in the air intake (502 figure 6), this intake air is compressed in the pipe (501 figure 6) and then force the working chamber of the engine (173 figure 3) in expelling the said exhaust gases out of the said working chamber.
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