EP4259902A1 - Moteur à air comprimé à chambre active incluse et à distribution active à soupape équilibrée - Google Patents

Moteur à air comprimé à chambre active incluse et à distribution active à soupape équilibrée

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Publication number
EP4259902A1
EP4259902A1 EP20811522.0A EP20811522A EP4259902A1 EP 4259902 A1 EP4259902 A1 EP 4259902A1 EP 20811522 A EP20811522 A EP 20811522A EP 4259902 A1 EP4259902 A1 EP 4259902A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
valve
piston
pressure
chamber
Prior art date
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Pending
Application number
EP20811522.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Cyril Negre
Christophe HURTH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MDI Motor Development International SA
Original Assignee
MDI Motor Development International SA
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Filing date
Publication date
Application filed by MDI Motor Development International SA filed Critical MDI Motor Development International SA
Publication of EP4259902A1 publication Critical patent/EP4259902A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B17/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by use of uniflow principle
    • F01B17/02—Engines
    • F01B17/025—Engines using liquid air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B25/00—Regulating, controlling, or safety means
    • F01B25/02—Regulating or controlling by varying working-fluid admission or exhaust, e.g. by varying pressure or quantity
    • F01B25/08—Final actuators
    • F01B25/10—Arrangements or adaptations of working-fluid admission or discharge valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/14—Tappets; Push rods
    • F01L1/146—Push-rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/18—Rocking arms or levers
    • F01L1/181—Centre pivot rocking arms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/10—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by fluid means, e.g. hydraulic
    • F01L9/16—Pneumatic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L2003/25—Valve configurations in relation to engine
    • F01L2003/258—Valve configurations in relation to engine opening away from cylinder

Definitions

  • TITLE Compressed air motor with active chamber included and active distribution with balanced valve
  • the invention relates to an engine operating in particular with compressed air, or any other gas, and using a so-called "active chamber”.
  • the invention relates to the distribution at the intake of such an engine and more particularly for an engine comprising an active chamber included, and in particular for a multimodal autoexpander engine with an active chamber included.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) compressed air injection, comprising a high pressure compressed air tank and a working capacity.
  • the expansion chamber consists of a variable volume equipped with means for producing work, it is twinned and in contact by a permanent passage with the space comprised above the main driving piston which is equipped with a device for stopping the piston at its top dead center;
  • variable volume of the expansion chamber is reduced to its smallest volume to restart a complete work cycle.
  • the expansion chamber of the engine according to this invention takes an active part in the work.
  • the engine is thus called an “active chamber” engine.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) thermodynamic, but using a known and conventional movement transformation device of the connecting rod-crank type, the expansion chamber of the engine according to the invention actively participating in the work.
  • WO-A1 -2005/049968 and WO-A1 -2008/028881 are called “active chamber engines”.
  • an engine with an active chamber included comprising at least one piston mounted to slide in a cyl rim and driving a crankshaft by means of a traditional connecting rod-crank device and operating according to a four-phase thermodynamic cycle comprising:
  • a dynamic expander device Preferably supplied by compressed air, or any other compressed gas, contained in a high pressure storage tank, through a buffer capacity called working capacity which is supplied by compressed air, or any other compressed gas, contained in a high pressure storage tank, which is expanded to an average pressure called working pressure in a working capacity preferentially through a dynamic expander device, in which:
  • the active chamber is included/incorporated in the engine cylinder
  • the engine cylinder comprises at least one piston slidably mounted in at least one cylinder whose volume swept by the piston is divided into two separate parts, a first part constituting the active chamber CA and a second part constituting the expansion chamber CD;
  • the cylinder is closed at its upper part by a cylinder head comprising at least one duct and one inlet orifice, and at least one duct and one exhaust orifice and which is arranged in such a way that, when the piston is at its top dead center, the residual volume between the piston and the cylinder head is, by construction, if not non-existent, reduced only to the minimum clearances allowing operation without contact between the piston and the cylinder head;
  • the exhaust port is then opened to ensure the exhaust phase during the rise of the piston over its entire stroke.
  • the volume of the included active chamber CA and the volume of the expansion chamber CD are sized so that at the nominal engine operating pressure, the pressure at the end of expansion at bottom dead center is close to ambient pressure, especially atmospheric.
  • the active chamber volume is determined by the inlet closure.
  • the engine with active chamber included described above comprises several successive cylinders of increasing displacement.
  • the engine is powered, like the teachings of documents W0-A1 -2005/049968 and W0-A1 -2008/028881, by compressed air, or by any other compressed gas, contained in a storage tank at high pressure, previously relaxed, at a nominal working pressure, in a buffer capacity - called working capacity.
  • the filling of the included active chamber CA is carried out at a constant intake pressure at each engine revolution, this intake pressure being decreasing as the pressure in the storage tank decreases progressively measurement of the progressive emptying of this tank;
  • the volume of the included active chamber CA is variable and is gradually increased as the pressure in the storage tank decreases, which determines said inlet pressure
  • the means for opening and closing the adm ission of the compressed air in the included active chamber CA not only make it possible to open the orifice and the adm ission duct substantially at the top dead center of the race of the piston, but they also make it possible to modify the duration and/or the angular sector of the admission, as well as the passage section of the opening;
  • the volume of the included active chamber CA is sized for the maximum storage pressure, then it is gradually increased so that, depending on the inlet pressure, the volume ratio between the included active chamber CA and the chamber of expansion CD, the pressure at the end of the expansion before the opening of the exhaust is close to atmospheric pressure.
  • the motor according to WO-A1-2012/045694 also functions as an expander, the invention thus making it possible to propose a so-called "self-expanding" motor which, for the supply of the AC active chamber, does not require any expander independent of any kind.
  • the multimodal self-expanding motor with active chamber included according to the teachings of document W0-A1 -2012/045694 implements in particular, during its operation in single-energy compressed air mode, a three-phase thermodynamic cycle comprising:
  • the volume, variable according to the pressure of the high pressure storage tank, of the active chamber included determines the quantity of compressed air injected.
  • the difficulty lies in making the means for opening and closing the admission of compressed air into the included active chamber which not only make it possible to open the orifice and the admission duct substantially at the top dead center of the stroke of the piston, but which also make it possible to modify the duration and/or the angular sector of the admission, as well as the passage section of the opening.
  • a valve closes off the intake and/or exhaust duct and it comprises a valve head held by one or more springs resting on a circular valve seat formed around an orifice placing the duct in communication. intake and/or exhaust with the combustion and/or expansion chamber contained in the cylinder.
  • the valve head opens the circuit by penetrating the chamber to be fed moved by mechanical systems of cams and tappets acting on the tail or stem of the valve which extends the head of the valve.
  • patent application WO-A2-201 5/1 77076 relating to a compressed air motor with an active chamber included and with distribution active at admission.
  • the active intake distribution device uses the compressed air contained in the high pressure storage tank and/or in the intake circuit to move the intake valve in order to open and then close the intake duct to supply the active chamber of the engine, the compressed air having been used for these actions then being reused in the engine to produce additional work.
  • this engine comprising:
  • a cylinder head which closes at its upper part the volume of the cylinder, which is swept by the piston, and which comprises at least one intake duct in which flows a flow of gas under pressure for filling the cylinder, an orifice of admission of the pressurized gas above the piston, and at least one exhaust port and one exhaust duct, the cylinder head being arranged such that, when the piston is at its top dead center, the residual volume included between the piston and the cylinder head is, by construction,
  • the volume of the cylinder swept by the piston is divided into two distinct parts, a first part of which constitutes an active chamber which is included in the cylinder and a second part which constitutes an expansion chamber,
  • -- engine torque and rpm are controlled by opening and closing the intake valve by allowing the intake valve to open, substantially at top dead center of the piston stroke, and allowing, by closing the valve, to modify the duration and/or the angular sector of the admission, as well as the passage section of the admission opening so as, depending on the pressure of the compressed gas contained in the reservoir of storage and the pressure at the end of the expansion phase, to determine the quantity of pressurized gas admitted as well as the volume of the active chamber, in which:
  • the inlet valve is mounted so as to move axially between a low closed position in which it rests tightly on its valve seat, and a high open position
  • the inlet valve moves axially, in the opposite direction to that of the flow of the gas flow under cylinder filling pressure
  • the engine comprises means for controlling the opening of the intake valve, substantially at the top dead center of the stroke of the piston, to cause the separation of the intake valve from its seat to allow the establishment the intake pressure in the active chamber, the valve then traveling its full opening stroke under the action of the differential pressure forces exerted by the pressurized gas on the corresponding parts of the intake valve,
  • the engine comprises a pneumatic cylinder for closing the inlet valve which comprises a cylinder of the cylinder and a closing piston which is connected in axial movement with the inlet valve, and which is slidably mounted in the cylinder end of the cylinder inside which it delimits in a sealed manner a control chamber of the cylinder, called the closing chamber,
  • the engine comprises at least one intake valve opening control channel which connects said closure chamber to a source of pressurized gas which is either the upper part of the active chamber of the cylinder, or the duct intake, i.e. the pressurized gas tank,
  • the engine comprises an active distribution channel which connects said closing chamber to the upper part of the active chamber and a valve for shutting off the flow of gas in the active distribution channel, called the active distribution valve, of which the opening is controlled to place the closure chamber in communication with the upper part of the active chamber, to close the inlet valve and to produce work which is added to the work of the previously admitted pressurized gas charge, via the inlet duct, in the active chamber.
  • the active distribution valve a valve for shutting off the flow of gas in the active distribution channel, called the active distribution valve, of which the opening is controlled to place the closure chamber in communication with the upper part of the active chamber, to close the inlet valve and to produce work which is added to the work of the previously admitted pressurized gas charge, via the inlet duct, in the active chamber.
  • the aim of the invention is to propose a new design of such an active chamber compressed air motor aimed in particular at increasing its performance and efficiency, in particular by using a distribution system for controlling the opening and closing of the inlet valve using a source of compressed gas - in particular compressed air - whose pressure value (known as low pressure) is lower than that of the pressure available in the high-pressure storage tank.
  • the "pneumatic" energy required to open and close the intake valve is, for example, supplied in the form of gas from the high-pressure storage tank or from the intake circuit which is expanded at low pressure. After its use for
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) control the opening of the valve, this energy can then be reused by producing additional work.
  • the volumes of the closing and/or opening chambers are of reduced value, for example, non-limiting, less than 10% of the engine capacity
  • the invention applies identically to the control of an exhaust valve.
  • the invention proposes an active chamber engine operating according to a three-phase thermodynamic cycle comprising:
  • this engine comprising:
  • a cylinder head which closes at its upper part the volume of the cylinder which is swept by the piston, and which comprises at least one inlet duct in which flows a flow of gas under pressure for filling the cylinder, an orifice of admission of the pressurized gas above the piston, and at least one exhaust port and one exhaust duct, the cylinder head being arranged in such a way that, when the piston is at its top dead center, the residual volume comprised between the piston and the cylinder head is, by construction, reduced to only the minimum clearances allowing operation without contact between the piston and the cylinder head,
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) -- the volume of the cylinder swept by the piston is divided into two distinct parts, a first part of which constitutes an active chamber which is included in the cylinder and a second part which constitutes an expansion chamber,
  • the volume of the active chamber increases by producing work corresponding to the isobaric and isothermal transfer phase of the thermodynamic operating cycle
  • the exhaust port is then opened to carry out the exhaust phase of the thermodynamic operating cycle during the rise of the piston over its entire stroke to its dead center high,
  • -- engine torque and rpm are controlled by opening and closing the intake valve by allowing the intake valve to open, substantially at top dead center of the piston stroke, and allowing, by closing the valve, to modify the duration and/or the angular sector of the admission, as well as the passage section of the admission opening so as, according to the pressure of the compressed gas contained in the tank storage and the pressure at the end of the expansion phase, to determine the quantity of gas under pressure admitted as well as the volume of the active chamber, characterized in that:
  • the inlet valve is mounted so as to move in axial movement between a low closed position in which it rests tightly on its valve seat, and a high open position
  • the inlet valve moves axially, in the opposite direction to that of the flow of the gas flow under cylinder filling pressure
  • the motor includes a pneumatic cylinder for controlling the opening
  • the pneumatic jack comprises a jack cylinder and a piston which is connected to the inlet valve and which delimits a pilot chamber which is connected to a low pressure gas source,
  • the engine comprises a channel which connects the source of low pressure gas to the pilot chamber, and a valve a controlled valve for the admission of low pressure gas into the pilot chamber,
  • the engine comprises an intake valve closing control channel which connects the pilot chamber to the open air or to an energy recovery system, and a controlled valve for emptying the pilot chamber .
  • the low-pressure gas source is a regulator, the inlet of which is connected to the high-pressure storage tank or the inlet duct, and the outlet of which is connected to the control chamber;
  • the regulator is a regulator with variable outlet pressure controlled to vary the value of the lift of the inlet valve from its seat;
  • the engine comprises an energy recovery system, a channel which connects the energy recovery system to the upper part of the cylinder located above the piston, and a valve a controlled valve for active emptying of the energy recovery system energy in the upper part of the cylinder;
  • inlet valve closes and drain valve opens when the piston reaches the requested limit of the active chamber to cause the pressure in the pilot chamber to drop and to cause the valve to close intake
  • the pneumatic cylinder controlling the opening of the inlet valve is integrated into the cylinder head and its piston is integral with the stem of the inlet valve;
  • the pneumatic actuator for controlling the opening of the intake valve is arranged outside the cylinder head, and in that the output member of the actuator is connected, directly or indirectly, to the stem of the valve admission by a motion transmission member;
  • the pneumatic actuator for controlling the opening of the intake valve is a pneumatic muscle
  • said movement transmission member is a rocker which is pivotally mounted about an axis which is orthogonal to the axis of the inlet valve, one end of which is connected, directly or indirectly, to the stem of the inlet valve, and the other opposite end is connected to the output member of the pneumatic control cylinder ;
  • the inlet valve stem is crossed axially by a pressure equalization channel which opens into a compensation chamber and into the upper part of the cylinder.
  • FIG.1 A - Figure 1 A schematically represents a first embodiment of an engine according to the invention, with an active chamber included in the cylinder, which is illustrated in axial section at its bottom dead center, and its device compressed air supply;
  • FIG.1 B is a view similar to that of Figure 1 A in which the engine is illustrated during intake, at its top dead center, the intake valve having been opened from the top dead center;
  • FIG.1 C - Figure 1 C is a view similar to those of Figures 1 A and 1 B in which the engine is illustrated during the expansion phase;
  • FIG.2 is a view similar to that of Figure 1 A which illustrates a second embodiment of a motor according to the invention
  • FIG.3 the figure is a view similar to that of Figure 1 A which illustrates a third embodiment of a motor according to the invention
  • FIG.4 - Figure 4 is a view similar to that of Figure 3 which illustrates an alternative embodiment of the third embodiment
  • FIG.5 - Figure 4 is a view similar to that of Figure 3 which illustrates another alternative embodiment of the third embodiment
  • FIG.6 is an axial sectional view of an embodiment of a modular cartridge incorporating a valve suitable for integration into an engine of the type illustrated schematically in Figures 3 and 4;
  • FIG.7 is a sectional view through a plane passing through the axes of an inlet valve and an exhaust valve of an embodiment of an engine of the type illustrated schematically to Figures 3 and 4 wherein each valve is integrated into a cartridge as shown in Figure 6;
  • FIG.8 is a perspective view from above of an embodiment of a piston particularly suitable for the design of an engine according to the invention.
  • the engine comprises one or more cylinders, of which only one 1 is shown which is fed by a pressurized gas, preferably by compressed air, contained in a high pressure storage tank 12.
  • the engine comprises a piston 2 which is slidably mounted along its axis in the cylinder 1, and a crankshaft 5 which is driven by the piston 2 by means of a conventional connecting rod 3 and crank 4 device.
  • the engine comprises a cylinder head 6 which closes at its upper part the internal volume of cylinder 1 which is swept by piston 2.
  • the internal volume of cylinder 1 which is swept by piston 2 is divided along an imaginary line DD' (corresponding to a division plane orthogonal to the axis of cylinder 1) into two parts or chambers comprising:
  • the cylinder head 6 comprises at least one admission duct 8 which is connected to the tank 12 and in which flows the fl ow of pressurized gas filling the cylinder 1 .
  • the inlet duct 8 ends at its lower end with a pressurized gas inlet 7 arranged above the piston 2.
  • the cylinder head 6 and the piston 2 are arranged in such a way that, when the piston 2 is at its top dead center, the residual volume between the piston 2 and the cylinder head 6 is, by construction, reduced only to the minimum clearances allowing the operation without contact between the piston 2 and the cylinder head 6, that is to say without contact between the upper face 30 of the piston 2 and the portion facing the lower face 32 of the cylinder head 6 which closes the cylinder 1 at its upper part.
  • the cylinder head 6 comprises an inlet valve 9, which is in particular capable of cooperating in a leaktight manner with a valve seat 20 formed in the cylinder head 6 and which delimits the admittance 7.
  • the cylinder head 6 also includes at least one exhaust valve, at least one exhaust port and at least one exhaust duct (not shown) and whose design and operation are similar to the intake system described here in detail. .
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the torque supplied by the engine is controlled by controlling the opening and closing of the inlet valve 9 by opening it at top dead center TDC of the stroke of the piston 2 and by closing it to modify the duration and/or the angular sector of the inlet, as well as the passage section of the inlet opening, in particular as a function of the value of the pressure of the gas contained in the storage tank 12.
  • the inlet duct 8 is directly connected to the high-pressure gas reservoir 12 which thus directly supplies the active chamber CA, the latter thus being at the same pressure as that of the gas contained in the reservoir 12, for example l order of 100 bars and it is greater than that prevailing in the active chamber CA and the expansion chamber CD, for example equal to 1.5 bar at the time of the cycle corresponding to the bottom dead center PMB of the piston, at the end of expansion , just before the exhaust valve opens.
  • the inlet valve 9 is slidably guided in a valve guide 206 and it is movably mounted in axial displacement - along its main axis - between:
  • the inlet valve 9 moves axially - upwards, in the direction opposite to that of the flow of the flow F of gas under pressure filling the cylinder.
  • the intake valve opens in the opposite direction to the flow of pressurized air filling the engine cylinder.
  • the engine comprises a pneumatic cylinder, or gas cylinder, V for controlling the opening of the intake valve 9 which, by way of non-limiting example and according to the design illustrated in FIGS. 1 A to 1 C, is arranged in the cylinder head 6.
  • the jack V comprises a jack cylinder and a closing piston P which is connected in axial movement with the upper rod 26 of the inlet valve 9, and which is slidably mounted in the cylinder of the jack V inside which it tightly delimits a lower chamber 100, called the opening chamber of the inlet valve 9, or pilot chamber.
  • the actuator cylinder has an upper chamber 99 in which is housed an elastic return spring 13 of the inlet valve 9 which is for example a helical spring which is mounted compressed in the upper chamber 99 and which exerts an elastic force oriented downwards on the upper face 27 of the piston P.
  • an elastic return spring 13 of the inlet valve 9 which is for example a helical spring which is mounted compressed in the upper chamber 99 and which exerts an elastic force oriented downwards on the upper face 27 of the piston P.
  • the actuator cylinder is extended by an upper section 98 of smaller diameter in which the upper part of the rod 26 of the inlet valve 9 - which is extends above the piston P - is received in axial sliding.
  • the free end upper face 22 of the stem 26 of the inlet valve 9 delimits in the section 98 an upper chamber 101 called the compensation chamber.
  • the compensation chamber 101 also called pressure equalization chamber, is permanently connected to the upper part of the cylinder 1 located above the piston 2 by a central channel 102 opening at its two opposite ends which extends axially through the valve 9 over its entire height.
  • a channel X1 connects the inlet duct 8 to the lower compensation chamber 100 of the cylinder V.
  • the engine comprises a so-called intake controlled valve A which is arranged in the channel X1, and the opening of which can be controlled to put the intake duct 8 and/or the tank 12 in communication with the compensation chamber 100 .
  • a regulator 10 is interposed in the channel X1, here preferably upstream of the valve A, to reduce the pressure at the outlet of the regulator 10 to a so-called low pressure value of the order of a few bars - for example equal to 8 bar - to supply the clearing house 1 00.
  • the regulator 10 may have a constant outlet pressure or, alternatively, an adjustable outlet pressure.
  • the lower compensation chamber 100 is here connected to the upper part of the cylinder 1 located above the piston 2 by two consecutive channels X2 and X3 with the interposition of an energy recovery system 11.
  • the motor comprises a controlled valve B called a shut-off drain valve B arranged in the channel X2, the opening of which can be
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) controlled to put the compensation chamber 100 in communication with the potential energy recovery system 11.
  • the engine comprises a controlled valve C, called an active drain valve, which connects the upper part of the cylinder 1 to the potential energy recovery system 11 and the opening of which can be controlled to put the potential energy recovery system 1 1 with cylinder 1 .
  • a controlled valve C called an active drain valve
  • the inlet valve 9 is permanently biased towards its closed position.
  • the inlet valve 9 is elastically returned and is kept closed on its valve seat 20 by a return spring 13.
  • the inlet valve 9 is balanced against the pressure forces prevailing in the cylinder 1 which are applied to the lower face 21 of the head 25 of the valve.
  • the value of the pressure prevailing in the compensation chamber 101 is always equal to the value of the pressure in the cylinder 1 .
  • the engine comprises a so-called low-pressure distribution system which is connected to the inlet duct 8 by the regulator 10, the pressure value of which at the outlet is lower than the pressure of the high-pressure gas contained in the tank 12.
  • the maximum value of the pressure prevailing in the distribution system, downstream of the regulator 10, is constant throughout the progressive emptying of the tank 12.
  • This maximum value of the pressure prevailing in the distribution system corresponds to the minimum for obtaining a complete lift stroke of the valve 9, but it can vary below this maximum value in order to reduce the stroke of the valve d admittance 9.
  • inlet valve A opens channel X1 to pressurize pilot chamber 100 by connecting it to the outlet of regulator 10.
  • the force thus applied to the intake valve 9 is greater than the downward return force exerted by the spring 13 on the upper face 27 of the piston P, and it causes the valve 9 to come off or lift from the seat. 20.
  • Valve 9 then travels its entire opening stroke and puts inlet duct 8 in communication with cylinder 1.
  • Controlling the opening of the drain valve B puts the control chamber 100 in communication with the system 11 for recovering potential energy.
  • the inlet valve 9 being closed, the compressed gas present in the cylinder 1 expands as the piston 2 descends and its value decreases.
  • the closing of the drain valve B is controlled, and the opening of the valve active emptying C is controlled in turn to - by the channel X3 - put the potential energy recovery system 1 1 in communication with the cylinder 1 .
  • the design of the potential energy recovery system 1 1 can take several forms, depending on the type of energy that is to be recovered, and for example:
  • a combination of one or more of these energy recovery systems can be considered.
  • the volume of gas recovered and accumulated in a capacity 11 is injected into the cylinder 1 by expanding in the expansion chamber CD of the engine, producing work which is added to the expansion work. of the load allowed in the active chamber CA.
  • the valve C is an active distribution valve.
  • the exhaust valve and the exhaust duct are not represented in figures 1 A to 6, but the assembly operates according to the same principle as that which governs the admission.
  • the exhaust valve control system can be connected to the same expansion valve 10 to the same potential energy recovery system 11 as those belonging to the intake valve control system 9.
  • the opening cycle of the exhaust valve is close to opening at bottom dead center of piston 2 stroke and close to closing at top dead center of piston 2 stroke.
  • FIG. 2 In the design according to this second embodiment illustrated in FIG. 2, the two valves A and B illustrated in FIGS. 1 A to 1 C are replaced by a slide valve E commonly called a distributor.
  • Valve E is a two-position, three-way type.
  • control chamber 100 In its state or position illustrated in the figure, the control chamber 100 is connected to the channel X2 upstream of the potential energy recovery system 11.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) A change in position of the distributor spool causes the outlet of the regulator 10 to communicate with the control chamber 100 and the communication between the control chamber 100 and the channel X2 to be interrupted.
  • Cylinder V is offset or offset laterally and it can in particular be arranged outside of cylinder head 6 in the form of an independent discrete component.
  • This design makes it easier to size the cylinder V and the control chamber.
  • a cylinder V for controlling the opening of the valve can be of the so-called "pneumatic muscle” type, the force/stroke behavior of which in particular is almost linear and the stroke of which is directly adjustable by adjusting the value of its supply pressure.
  • Such a cylinder can be used with a low supply pressure equal to or less than, for example, 8 bar.
  • This type of pneumatic muscle (Fluidic Muscle DMSP) is for example marketed under the registered trademark “FESTO”.
  • the rocker 14 is pivotally mounted around an axis 15 which is orthogonal to the sliding axis of the inlet valve 9. One of its ends is connected directly or indirectly to the stem 26 of the valve, and its other opposite end is connected to the output member 17 of the offset cylinder V.
  • the two valves A and B of Figure 3 can be replaced by a valve or spool valve E.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) According to another variant and as illustrated in FIG. 5, and by comparison with the embodiment previously described with reference to FIG. 3, the possibility has been shown of adjusting the position of the pivot axis 15 of the rocker 14 and thus to vary the stroke of the valve 9 according to the different operating phases of the engine.
  • a cartridge 200 comprising a housing in two lower 202 and upper 204 parts which house an external valve guide 206 which slidably guides the stem 26 of a valve 9 whose lower head 25 is illustrated in screw -vis a valve seat 20 integrated into the lower part 202 of the housing of the cartridge 200.
  • the inlet orifice 7 is formed in the lower part 202 of the cartridge case and here it is cylindrical with a circular section
  • the upper section of the rod 25 is shaped as a hollow piston P in which an internal valve guide 207 is received in leaktight manner.
  • the compensation chamber 101 is thus arranged at the interface between the upper face 22 of the rod 25 - into which the balancing channel 102 opens - and the lower face portion facing vis-a-vis 209 of the internal guide 207.
  • the outer guide 206 and the lower part 202 of the casing are traversed by passages 210 for venting.
  • valve 9 is illustrated in its maximum high position corresponding to the control of its complete opening.
  • This position is determined by a mechanical stop surface 212 carried by the upper part 204 of the casing against which the upper face 27 bears axially upwards.
  • the hollow piston P secured to the rod 25 is capable of being axially slidably driven in both directions - between its high position illustrated in FIG. 6 and its low position in which the head 25 bears axially downwards against the seat 20 (See Figure 7) - by a rocker 14 which is pivotally mounted about a fixed axis 1 5 carried by the upper part 204 of the cartridge housing 200.
  • the free end 214 of the rocker 14 is capable of being connected in an articulated manner to the output rod of an actuator or control cylinder which is for example a pneumatic muscle as illustrated in FIG. 7.
  • Figure 7 which has a general symmetry with respect to a median vertical plane, there is shown on the left side an intake cartridge 200 and on the right side an exhaust cartridge 200', all the components of which are designated by the same numerical references increased by the “prime” index.
  • the cylinder head 6 is designed and arranged so that, when the piston 2 is at its top dead center, the residual volume between the piston 2 and the cylinder head 6 is, by construction, reduced only to clearances minimum allowing operation without contact between the piston 2 and the cylinder head 6.
  • Figure 8 illustrates an example of the design of a piston 2 particularly suitable for obtaining this result.
  • the upper face 30 of the piston is a flat face which extends in a plane orthogonal to the sliding axis of the piston and - when the piston 2 is at its top dead center TDC corresponding to zero degrees of angle of the crankshaft - this upper face is thus able to be adjacent, almost without axial play, to the lower face 32 facing the cylinder head 6.
  • the upper face 30 has projecting as many pins or fingers 220 (220') each of which is dimensioned (in diameter and in height) to be received in an inlet 7 (7 ').
  • the example illustrated in Figure 8 has two fingers 220 for two intake ports and two fingers 220' for two exhaust ports 7'.

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Abstract

L'invention propose un moteur à chambre active (CA) comportant un cylindre (1 ) alimenté par de l'air comprimé, un piston (2), une culasse (6) qui comporte un conduit d'admission (8), un orifice d'admission (7), une soupape d'admission (9), dans lequel le volume du cylindre (1 ) est divisé en une chambre active (CA) incluse et une chambre de détente (CD) et le couple et le régime du moteur sont commandés par l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission (9), caractérisé en ce que, dans le sens de son ouverture, la soupape d'admission (9) se déplace dans le sens opposé à celui de l'écoulement du flux de gaz sous pression et, dans sa position de fermeture, elle est maintenue fermée sur un siège (20) par un ressort (13) de rappel, et en ce que les efforts axiaux s'exerçant sur la soupape d'admission (9) qui résultent de la pression régnant dans le conduit d'admission (8) et dans le cylindre (1 ) sont en permanence équilibrés.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Moteur à air comprimé à chambre active incluse et à distribution active à soupape équilibrée
Domaine technique de l'invention
L’invention concerne un moteur fonctionnant notamment avec de l’air comprimé, ou tout autre gaz, et utilisant une chambre dite « chambre active » .
L’invention concerne la distribution à l’admission d’un tel moteur et plus particulièrement pour un moteur comportant une chambre active incluse, et notamment pour un moteur autodétendeur plurimodal à chambre active incluse.
Arrière-plan technique
On appelle distribution l’ensemble des moyens utilisés pour alimenter un tel moteur en gaz comprimé.
Les inventeurs et/ou le demandeur ont déposé de nombreux brevets concernant des motorisations ainsi que leurs installations, utilisant des gaz et plus particulièrement de l’air comprimé pour un fonctionnement totalement propre en site urbain et suburbain .
Ils ont notamment déposé une demande de brevet internationale WO- A1 -03/036088 au contenu de laquelle on pourra se reporter, concernant un groupe moto-compresseur - moto-alternateur à injection d’air comprimé additionnel pouvant fonctionner en mode dit mono-énergie, et en mode dit pluri-énergies.
Dans ces types de moteur fonctionnant avec de l’air comprimé et comportant un réservoir de stockage d’air comprimé, il est nécessaire de détendre l’air comprimé stocké à très haute pression dans le réservoir - mais dont la pression diminue au fur et à mesure que le réservoir se vide - à une pression intermédiaire stable dite pression finale d’utilisation , dans une capacité tampon - dite capacité de travail - avant son utilisation dans le ou les cylindres moteurs du moteur.
Pour résoudre les problèmes de détendeur, les inventeurs et/ou le demandeur ont aussi déposé une demande de brevet W0-A1 -03/089764, au contenu de laquelle on pourra se reporter, concernant un détendeur dynam ique à débit variable et une distribution pour moteurs alimentés avec
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) injection d’air comprimé, comportant un réservoir d’air comprimé à haute pression et une capacité de travail .
Dans le fonctionnement de ces moteurs à « détente de charge » , le remplissage de la chambre d’expansion représente toujours une détente sans travail qui est nuisible au rendement global de la machine.
Pour résoudre le problème indiqué ci-dessus, les inventeurs et/ou le demandeur ont alors déposé une demande de brevet W0-A1 -2005/049968 décrivant un moteur à air comprimé alimenté préférentiellement par de l’air comprimé, ou par tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression , préalablement détendu à une pression nom inale de travail dans une capacité tampon dite capacité de travail .
Dans ce type de moteur selon les enseignements du document W0-A1 -2005/049968 :
- la chambre d’expansion est constituée d’un volume variable équipé de moyens permettant de produire un travail, elle est jumelée et en contact par un passage permanent avec l’espace compris au-dessus du piston moteur principal qui est équipé d’un dispositif d’arrêt du piston à son point mort haut ;
- durant l’arrêt de la course du piston moteur à son point mort haut, l’air ou le gaz sous pression est admis dans la chambre d'expansion lorsque celle-ci est à son plus petit volume et, sous la poussée, va augmenter son volume en produisant un travail ;
- la chambre d’expansion étant maintenue sensiblement à son volume maximum , l’air comprimé qui y est contenu se détend ensuite dans le cylindre moteur en repoussant ainsi le piston moteur dans sa course descendante en fournissant à son tour un travail ;
- durant la remontée du piston moteur pendant le temps échappement, le volume variable de la chambre d’expansion est ramené à son plus petit volume pour recommencer un cycle de travail complet.
La chambre d’expansion du moteur selon cette invention participe activement au travail. Le moteur est ainsi dit moteur à « chambre active » .
Le document W0-A1 -2005/049968 enseigne notamment un cycle thermodynam ique en quatre phases lors de son fonctionnement en mode mono-énergie à air comprimé caractérisé par :
- une détente isotherme sans travail ;
- un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme ;
- une détente polytropique avec travail ;
- un échappement à pression ambiante.
Le document W0-A1 -2008/028881 , qui présente une variante des enseignements du document W0-A1 -2005/049968, enseigne le même cycle
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) thermodynam ique, mais en utilisant un dispositif de transformation de mouvement connu et conventionnel du type bielle-man ivelle, la chambre d’expansion du moteur selon l’invention participant activement au travail .
Les moteurs selon les enseignements des documents
W0-A1 -2005/049968 et WO-A1 -2008/028881 sont dits « moteurs à chambre active » .
Par la suite, les inventeurs et/ou le demandeur ont déposé une demande de brevet pour un moteur à air ou à gaz comprimé à chambre active incluse qui met en oeuvre le même cycle thermodynamique que les moteurs selon les enseignements de W0-A1 -2005/049968 et
W0-A1 -2008/028881 , ainsi qu’un dispositif bielle-manivelle conventionnel .
Selon les enseignements du document W0-A1 -2012/045693, les inventeurs ont proposé un moteur à chambre active incluse, comportant au moins un piston monté coulissant dans un cyl indre et entraînant un vilebrequin au moyen d’un dispositif bielle-manivelle traditionnel et fonctionnant selon un cycle thermodynam ique à quatre phases comportant :
- une détente isotherme sans travail ;
- un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme ;
- une détente polytropique avec travail ;
- un échappement à pression ambiante.
Alimenté préférentiellement par de l’air comprimé, ou tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression , à travers une capacité tampon dite capacité de travail qui est alimentée par de l’air comprimé, ou tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression , qui est détendu à une pression moyenne dite pression de travail dans une capacité de travail préférentiellement à travers un dispositif de détendeur dynam ique, dans lequel :
- la chambre active est incluse/incorporée dans le cylindre moteur ;
- le cylindre moteur comporte au moins un piston monté coulissant dans au moins un cylindre dont le volume balayé par le piston est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant la chambre active CA et une deuxième partie constituant la chambre de détente CD ;
- le cylindre est fermé à sa partie supérieure par une culasse comportant au moins un conduit et un orifice d’admission , et au moins un conduit et un orifice d’échappement et qui est aménagé de telle sorte que, lorsque le piston est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston et la culasse est, par construction , sinon inexistant, réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston et la culasse ;
- l’air comprimé ou le gaz sous pression est adm is dans le cylindre au-
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) dessus du piston lorsque le volume de la chambre active CA est à son plus petit volume et qui , sous la poussée continue de l’air comprimé à pression constante de travail , va augmenter son volume en produisant un travail représentant la phase de transfert quasi-isotherme ;
- l’admission de l’air comprimé, ou du gaz sous pression , dans le cylindre est obturée dès lors que le volume maximal de la chambre active CA est atteint, et que la quantité d’air comprimé, ou du gaz sous pression, comprise dans ladite chambre active se détend alors en repoussant le piston sur la deuxième partie de sa course qui détermine la chambre de détente CD en produisant un travail assurant ainsi la phase de détente ;
- le piston ayant atteint son point mort bas, l’orifice d’échappement est alors ouvert pour assurer la phase d’échappement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course.
Le volume de la chambre active incluse CA et le volume de la chambre de détente CD sont dimensionnés de telle sorte qu’à la pression nominale de fonctionnement du moteur, la pression en fin de détente au point mort bas est proche de la pression ambiante, notamment atmosphérique. Le volume de la chambre active est déterminé par la fermeture de l’admission .
Avantageusement, et notamment en fonctionnement mono-énergie à air comprimé, le moteur à chambre active incluse décrit ci-dessus comporte plusieurs cylindres successifs de cylindrées croissantes.
Préférentiellement, le moteur est alimenté à l’instar des enseignements des documents W0-A1 -2005/049968 et W0-A1 -2008/028881 , par de l’air comprimé, ou par tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression , préalablement détendu , à une pression nominale de travail , dans une capacité tampon - dite capacité de travail .
Toutefois, même si il est possible dans le cas d’un moteur pluri étagé d’alimenter le prem ier des cylindres à des pressions élevées, il reste nécessaire de détendre l’air comprimé à très haute pression contenu dans le réservoir de stockage à haute pression j usqu’à une pression nominale de travail et cette opération de détente, soit entraîne une perte de rendement par l’utilisation d’un détendeur conventionnel soit, avec l’utilisation des enseignements de W0-A1 -03/089764, ne coûte pas d’énergie, mais cette détente ne permet pas d’effectuer un quelconque travail de détente entre la haute pression contenue dans le réservoir et la pression nominale de travail dans la capacité de travail à volume constant.
Les inventeurs et/ou le demandeur ont alors déposé une nouvelle demande de brevet W0-A1 -2012/045694 au contenu de laquelle on pourra se
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) reporter qui revendique un moteur à air comprimé à chambre active incluse dans lequel :
- le réservoir de stockage d’air comprimé à haute pression , ou de tout autre gaz sous pression , alimente directement l’admission du cylindre moteur ;
- le remplissage de la chambre active incluse CA s’effectue à une pression d’admission constante à chaque tour moteur, cette pression d’admission étant dégressive au fur à mesure de la diminution de la pression dans le réservoir de stockage au fur et à mesure de la vidange progressive de ce réservoir ;
- le volume de la chambre active incluse CA est variable et est augmenté progressivement au fur et à mesure de la diminution de la pression dans le réservoir de stockage qui détermine ladite pression d’admission ;
- les moyens d’ouverture et de fermeture de l’adm ission de l’air comprimé dans la chambre active incluse CA permettent non seulement d’ouvrir l’orifice et le conduit d’adm ission sensiblement au point mort haut de la course du piston, mais ils permettent aussi de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l’admission , ainsi que la section de passage de l’ouverture ;
- le volume de la chambre active incluse CA est dimensionné pour la pression maximum de stockage, puis il est progressivement augmenté de telle sorte que, en fonction de la pression d’admission , du rapport de volumes entre la chambre active incluse CA et la chambre de détente CD, la pression en fin de détente avant l’ouverture de l’échappement se trouve proche de la pression atmosphérique.
Le moteur selon W0-A1 -2012/045694 fait aussi fonction de détendeur, l’invention permettant ainsi de proposer un moteur dit « autodétendeur » qui , pour l’alimentation de la chambre active CA, ne nécessite aucun détendeur indépendant d’un quelconque type.
Le moteur autodétendeur plurimodal à chambre active incluse selon les enseignements du document W0-A1 -2012/045694 met notamment en oeuvre, lors de son fonctionnement en mode mono énergie air comprimé, un cycle thermodynam ique à trois phases comportant :
- une phase de transfert isobare et isotherme
- une phase de détente polytropique avec travail
- une phase d’échappement à pression ambiante.
Dans le fonctionnement de ce moteur, le volume, variable en fonction de la pression du réservoir de stockage haute pression , de la chambre active incluse détermine la quantité d’air comprimé injecté. Plus la pression d’adm ission est élevée, plus le volume de la chambre active doit être petit.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Afin d’obtenir un fonctionnement correct dans toutes les phases d’utilisation du moteur, il convient donc de l’alimenter avec une grande précision en fonction des divers paramètres notamment de vitesse ou régime de rotation , de la pression d’alimentation, de la charge déterminée par la position de l’accélérateur, de la température.
A cet effet, il est nécessaire de pouvoir faire varier :
- le moment de l’ouverture de l’admission en fonction du régime de rotation du moteur avant ou après le point mort haut pour tenir compte des inerties des gaz, mais aussi du rapport entre les temps d’établissement de la pression ,
- le moment de fermeture de l’admission, en fonction du régime de rotation du moteur, mais aussi de la pression d’admission ,
- la levée de la soupape d’admission en fonction de la charge souhaitée.
La difficulté réside dans la réalisation des moyens d’ouverture et de fermeture de l’admission de l’air comprimé dans la chambre active incluse qui permettent non seulement d’ouvrir l’orifice et le conduit d’admission sensiblement au point mort haut de la course du piston , mais qui permettent aussi de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l’admission , ainsi que la section de passage de l’ouverture.
La distribution des moteurs de tous types est généralement assurée par des soupapes dont le fonctionnement est bien connu .
Ainsi , une soupape vient obturer le conduit d’admission et/ou d’échappement et elle comporte une tête de soupape maintenue par un ou des ressorts en appui sur un siège de soupape circulaire formé autour d’un orifice mettant en communication le conduit d’admission et/ou d’échappement avec la chambre de combustion et/ou d’expansion contenue dans le cylindre.
La tête de soupape ouvre le circuit en pénétrant la chambre à alimenter mue par des systèmes mécaniques de came et de poussoirs agissant sur la queue ou tige de la soupape qui prolonge la tête de la soupape.
Dans d’autres domaines de motorisation et pour d’autres raisons techniques concernant notamment la réduction de la pollution et dans le but de maîtriser l’admission et l’échappement des moteurs conventionnels à combustion , un grand nombre de motoristes travaillent sur des systèmes permettant de contrôler le phasage et la durée des ouvertures de soupapes en cours de fonctionnement et ont déposé de nombreux brevets concernant ces applications. Des systèmes mécaniques complexes pilotés par des moteurs électriques pas à pas ont aussi été développés et commercialisés, notamment par BMW (Marque Déposée) avec le dispositif appelé « Vamos » .
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Les inventeurs et/ou le demandeur ont aussi déposé la demande de brevet W0-A1 -03/089764 au contenu de laquelle on pourra se reporter concernant une distribution par soupape à commande progressive.
De nombreux travaux ont été entrepris concernant des dispositifs électromécaniques, notamment commandés par des électroaimants facilement pilotables pour prendre en compte les divers paramètres de fonctionnement, mais les puissances électriques devant être mise en oeuvre pour permettre les accélérations et la vitesse de déplacement des soupapes demandent, compte tenu du poids et de l’inertie de ces dernières, des puissances considérables.
Pour résoudre les problèmes évoqués ci-dessus tout en apportant un surcroit de puissance, les inventeurs et/ou le demandeur ont déposé la demande brevet W0-A2-201 5/1 77076 concernant un moteur à air comprimé à chambre active incluse et à distribution active à l’admission .
Le dispositif de distribution active à l’admission selon ce document appliqué aux moteurs à air comprimé utilise l’air comprimé contenu dans le réservoir de stockage haute pression et/ou dans le circuit d’admission pour mouvoir la soupape d’adm ission afin d’ouvrir puis de fermer le conduit d’admission permettant d’alimenter la chambre active du moteur, l’air comprimé ayant servi à ces actions étant ensuite réutilisé dans le moteur pour produire un complément de travail .
Il a ainsi été proposé un moteur à chambre active fonctionnant selon un cycle thermodynam ique à trois phases comportant :
- une phase de transfert isobare et isotherme ;
- une phase de détente polytropique avec travail ;
- une phase d’échappement à pression ambiante ; ce moteur comportant :
- au moins un cylindre alimenté par un gaz sous pression, préférentiellement par de l’air comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression ,
- au moins un piston qui est monté coulissant dans ce cylindre,
- un vilebrequin entraîné par le piston au moyen d’un dispositif bielle-manivelle traditionnel ,
- une culasse qui ferme à sa partie supérieure le volume du cylindre, qui est balayé par le piston , et qui comporte au moins un conduit d’admission dans lequel s’écoule un flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre, un orifice d’admission du gaz sous pression au-dessus du piston , et au moins un orifice d’échappement et un conduit d’échappement, la culasse étant agencée de telle sorte que, lorsque le piston est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston et la culasse est, par construction,
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston et la culasse,
- au moins une soupape d’admission qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape formé dans la culasse et qui délimite l’orifice d’admission , moteur dans lequel :
-- le volume du cylindre balayé par le piston est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant une chambre active qui est incluse dans le cylindre et une deuxième partie constituant une chambre de détente,
-- sous la poussée continue du gaz sous pression admis dans le cyli ndre, à pression constante de travail , le volume de la chambre active augmente en produisant un travail représentant la phase de transfert isobare et isotherme, -- l’admission du gaz sous pression dans le cylindre est obturée dès que le volume maximal de la chambre active est atteint, la quantité de gaz sous pression comprise dans ladite chambre active se détendant alors en repoussant le piston sur la deuxième partie de sa course qui détermine la chambre de détente en produisant un travail assurant ainsi la phase de détente polytropique,
-- le piston ayant atteint son point mort bas, l’orifice d’échappement est alors ouvert pour assurer la phase d’échappement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course j usqu’à son point mort haut,
-- le couple et le régime du moteur sont commandés par l’ouverture et la fermeture de la soupape d’admission en permettant d’ouvrir la soupape d’admission , sensiblement au point mort haut de la course du piston , et en permettant, par la fermeture de la soupape, de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l’admission , ainsi que la section de passage de l’ouverture d’admission afin , en fonction de la pression du gaz comprimé contenu dans le réservoir de stockage et de la pression en fin de phase de détente, de déterminer la quantité de gaz sous pression admise ainsi que le volume de la chambre active, dans lequel :
- a) la soupape d’admission est montée mobile en déplacement axial entre une position basse de fermeture dans laquelle elle est en appui étanche sur son siège de soupape, et une position haute d’ouverture,
- b) dans le sens de son ouverture, la soupape d’admission se déplace axialement, dans le sens opposé à celui de l’écoulement du flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre,
- c) dans sa position de fermeture, la soupape d’admission est maintenue fermée de façon autoclave sur son siège de soupape par la pression régnant
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) dans le conduit d’admission et s’appliquant à la soupape d’admission ,
- d) le moteur comporte des moyens de commande de l’ouverture de la soupape d’admission , sensiblement au point mort haut de la course du piston , pour provoquer le décollement de la soupape d’admission de son siège pour permettre l’établissement de la pression d’admission dans la chambre active, la soupape parcourant alors sa course complète d’ouverture sous l’action des efforts différentiels de pression exercés par le gaz sous pression sur les parties correspondantes de la soupape d’admission,
- e) le moteur comporte un vérin pneumatique de fermeture de la soupape d’admission qui comporte un cylindre de vérin et un piston de fermeture qui est lié en déplacement axial avec la soupape d’adm ission, et qui est monté coulissant dans le cyli ndre de vérin à l’intérieur duquel il délimite de manière étanche une chambre de commande du vérin , dite chambre de fermeture,
- f) le moteur comporte au moins un canal de commande d’ouverture de la soupape d’admission qui relie ladite chambre de fermeture à une source de gaz sous pression qui est soit la partie supérieure de la chambre active du cylindre, soit le conduit d’admission , soit le réservoir de gaz sous pression ,
- g) le moteur comporte un canal de distribution active qui relie ladite chambre de fermeture à la partie supérieure de la chambre active et une valve d’obturation de la circulation du gaz dans le canal de distribution active, dite valve de distribution active, dont l’ouverture est commandée pour mettre la chambre de fermeture en communication avec la partie supérieure de la chambre active, fermer la soupape d’admission et produire un travail qui s’ajoute au travail de la charge de gaz sous pression préalablement admise, via le conduit d’adm ission, dans la chambre active.
On peut se reporter au contenu de ce document pour connaître en détail les autres caractéristiques du moteur.
L’invention vise à proposer une nouvelle conception d’un tel moteur à air comprimé à chambre active visant notamment à en accroître les performances et le rendement, notamment en utilisant un système de distribution pour la commande de l’ouverture et de la fermeture de la soupape d’admission faisant appel à une source de gaz comprimé - notamment d’air comprimé - dont la valeur de la pression (dite basse pression) est inférieure à celle de la pression disponible dans le réservoir de stockage à haute pression .
L’énergie « pneumatique » nécessaire à l’ouverture et la fermeture de la soupape d’admission est par exemple fournie sous la forme de gaz provenant du réservoir de stockage à haute pression ou du circuit d’admission qui est détendue à basse pression . Après son utilisation pour
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) commander l’ouverture de la soupape, cette énergie peut ensuite être réutilisée en produisant un complément de travail .
Les volumes des chambres de fermeture et/ou d’ouverture sont de valeur réduite par exemple non limitatif inférieur à 1 0% de la cylindrée moteur
I l en va de même pour les conduits reliant l’adm ission et la chambre active, l’admission et la chambre de fermeture la chambre de fermeture et la chambre de détente sont calculés pour permettre un débit suffisant à l’établissement des pressions dans les différentes chambres actives motrices fermeture distributeur détente distributeur.
L’invention s’applique de manière identique à la commande d’une soupape d’échappement.
Résumé de l'invention
L’invention propose un moteur à chambre active fonctionnant selon un cycle thermodynam ique à trois phases comportant:
- une phase de transfert isobare et isotherme ;
- une phase de détente polytropique avec travail ;
- une phase d'échappement à pression ambiante ; ce moteur comportant:
- au moins un cylindre alimenté par un gaz sous pression, préférentiellement par de l'air comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression ,
- au moins un piston qui est monté coulissant dans ce cylindre,
- un vilebrequin entraîné par le piston au moyen d'un dispositif bielle- manivelle traditionnel ,
- une culasse qui ferme à sa partie supérieure le volume du cylindre qui est balayé par le piston , et qui comporte au moins un conduit d'admission dans lequel s'écoule un flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre, un orifice d'admission du gaz sous pression au-dessus du piston , et au moins un orifice d'échappement et un conduit d'échappement, la culasse étant agencée de telle sorte que, lorsque le piston est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston et la culasse est, par construction, réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston et la culasse,
- au moins une soupape d'admission qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape formé dans la culasse et qui délimite l'orifice d'admission , moteur dans lequel :
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) -- le volume du cylindre balayé par le piston est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant une chambre active qui est incluse dans le cylindre et une deuxième partie constituant une chambre de détente,
-- sous la poussée continue du gaz sous pression admis dans le cyli ndre, à pression constante de travail , le volume de la chambre active augmente en produisant un travail correspondant à la phase de transfert isobare et isotherme du cycle thermodynamique de fonctionnement,
-- l'admission du gaz sous pression dans le cylindre est obturée dès que le volume maximal de la chambre active est atteint, la quantité de gaz sous pression comprise dans ladite chambre active se détendant alors en repoussant le piston sur la deuxième partie de sa course qui détermine la chambre de détente en produisant un travail correspondant à la phase de détente polytropique du cycle thermodynamique de fonctionnement,
-- le piston ayant atteint son point mort bas, l'orifice d'échappement est alors ouvert pour réaliser la phase d'échappement du cycle thermodynam ique de fonctionnement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course jusqu'à son point mort haut,
-- le couple et le régime du moteur sont commandés par l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission en permettant d'ouvrir la soupape d'admission , sensiblement au point mort haut de la course du piston , et en permettant, par la fermeture de la soupape, de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l'adm ission, ainsi que la section de passage de l'ouverture d'admission afin , en fonction de la pression du gaz comprimé contenu dans le réservoir de stockage et de la pression en fin de la phase de détente, de déterminer la quantité de gaz sous pression admise ainsi que le volume de la chambre active, caractérisé en ce que:
- a) la soupape d'admission est montée mobile en déplacement axial entre une position basse de fermeture dans laquelle elle est en appui étanche sur son siège de soupape, et une position haute d'ouverture,
- b) dans le sens de son ouverture, la soupape d'admission se déplace axialement, dans le sens opposé à celui de l’écoulement du flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre,
-c) dans sa position de fermeture, la soupape d’adm ission est maintenue fermée sur son siège par un ressort,
- d) les efforts axiaux s’exerçant sur la soupape d ’admission qui résultent de la pression régnant dans le conduit d’admission et dans le cylindre sont en permanence équilibrés,
- e) le moteur comporte un vérin pneumatique de commande de l’ouverture
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) de la soupape d’admission , sensiblement au point mort haut de la course du piston , pour provoquer le décollement de la soupape d'admission de son siège pour permettre l'établissement de la pression d'admission dans la chambre active, la soupape parcourant alors sa course complète d'ouverture à l’encontre de l’effort exercé par le ressort de rappel ,
- f) le vérin pneumatique comporte un cylindre de vérin et un piston qui est relié à la soupape d’admission et qui délimite une chambre de pilotage qui est reliée à une source de gaz à basse pression ,
- g) le moteur comporte un canal qui relie la source de gaz à basse pression à la chambre de pilotage, et une valve une valve commandée d’admission du gaz à basse pression dans la chambre de pilotage,
- i) le moteur comporte un canal de commande de fermeture de la soupape d’admission qui relie la chambre de pilotage à l’air libre ou à un système de récupération d’énergie, et une valve commandée de vidange de la chambre de pilotage.
Selon d’autres caractéristiques du moteur :
- la source de gaz à basse pression est un détendeur dont l’entrée est reliée au réservoir de stockage à haute pression ou au conduit d’admission , et dont la sortie est reliée à la chambre de pilotage ;
- le détendeur est un détendeur à pression de sortie variable commandée pour faire varier la valeur de la levée de la soupape d’admission de son siège ;
- le moteur comporte un système de récupération d’énergie, un canal qui relie le système de récupération d’énergie à la partie supérieure du cylindre située au-dessus du piston , et une valve une valve commandée de vidange active du système de récupération d’énergie dans la partie supérieure du cylindre ;
- les valves d’admission , de vidange et de vidange active sont commandées selon le cycle suivant :
- i) ouverture de la valve d’admission pour mettre la chambre de pilotage en communication avec la source de gaz basse pression et provoquer l’ouverture de la soupape d’admission aux alentours du point mort haut du piston pour mettre le conduit d’admission en communication avec la chambre active du cylindre,
- ii) fermeture de la valve d’admission et ouverture de la valve de vidange lorsque le piston atteint la limite demandée de la chambre active pour provoquer une baisse de la pression dans la chambre de pilotage et pour provoquer la fermeture de la soupape d’admission ,
- iii) fermeture de la valve et, lorsque la pression dans le cylindre est inférieure ou égale à la pression dans le système de récupération d’énergie,
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) ouverture de la valve de vidange active pour introd uire dans le cylindre une charge qui s’ajoute à la charge préalablement admise dans la chambre active,
- iv) fermeture de la valve de vidange active lors de la remontée du piston ;
- le vérin pneumatique de commande de l’ouverture de la soupape d’admission est intégré à la culasse et son piston est solidaire de la tige de la soupape d’admission ;
- le vérin pneumatique de commande de l’ouverture de la soupape d’admission est agencé à l’extérieur de la culasse, et en ce que l’organe de sortie du vérin est reliée, directement ou indirectement, à la tige de la soupape d’admission par un organe de transmission de mouvement ;
- le vérin pneumatique de commande de l’ouverture de la soupape d’admission est un muscle pneumatique, et en ce que ledit organe de transmission de mouvement est un basculeur qui est monté pivotant autour d’un axe qui est orthogonal à l’axe de coulissement de la soupape d’admission dont l’une des extrémités est reliée, directement ou indirectement, à la tige de la soupape d’admission , et l’autre extrémité opposée est reliée à l’organe de sortie du vérin pneumatique de commande ;
- la position de l’axe de pivotement du basculeur est réglable entre ses deux extrémités opposées ;
- la tige de la soupape d’adm ission est traversée axialement par un canal d’équilibrage des pressions qui débouche dans une chambre de compensation et dans la partie supérieure du cylindre.
Brève description des figu res
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig .1 A] - la figure 1 A représente schématiquement un premier mode de réalisation d’un moteur selon l’invention , à chambre active incluse dans le cylindre, qui est illustré en coupe axiale à son point mort bas, et son dispositif d’alimentation en air comprimé ;
[Fig .1 B] - la figure 1 B est une vue analogue à celle de la figure 1 A sur laquelle le moteur est illustré en cours d’admission, à son point mort haut, la soupape d’admission ayant été ouverte dès le point mort haut ;
[Fig.1 C] - la figure 1 C est une vue analogue à celles des figures 1 A et 1 B sur laquelle le moteur est illustré en cours de phase de détente ;
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) [Fig .2] - la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 A qui illustre un deuxième mode de réalisation d’un moteur selon l’invention ;
[Fig .3] - la figure est une vue analogue à celle de la figure 1 A qui illustre un troisième mode de réalisation d’un moteur selon l’invention ;
[Fig .4] - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 qui illustre une variante de réalisation du troisième mode de réalisation ;
[Fig .5] - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 qui illustre une autre variante de réalisation du troisième mode de réalisation ;
[Fig .6] - la figure 6 est une vue en coupe axiale d’un exemple de réalisation d’une cartouche modulaire intégrant une soupape apte à être intégrée dans un moteur du type illustré schématiquement aux figures 3 et 4 ;
[Fig .7] - la figure 7 est une vue en coupe par un plan passant par les axes d’une soupape d’admission et d’une soupape d’échappement d’un exemple de réalisation d’un moteur du type illustré schématiquement aux figures 3 et 4 dans lequel chaque soupape est intégrée à une cartouche telle qu’illustrée à la figure 6 ;
[Fig .8] - la figure 8 est une vue en perspective de dessus d’un exemple de réalisation d’un piston particulièrement adapté à la conception d’un moteur selon l’invention .
Description détaillée de l'invention
Le moteur comporte un ou plusieurs cylindres, dont un seul 1 est représenté qui est alimenté par un gaz sous pression , préférentiellement par de l’air comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression 12.
Le moteur comporte un piston 2 qui est monté coulissant selon son axe dans le cylindre 1 , et un vilebrequin 5 qui est entrainé par le piston 2 au moyen d’un dispositif conventionnel à bielle 3 et manivelle 4.
Le moteur comporte une culasse 6 qui ferme à sa partie supérieure le volume interne du cylindre 1 qui est balayé par le piston 2.
Le volume interne du cylindre 1 qui est balayé par le piston 2 est divisé selon une ligne imaginaire DD’ (correspondant à un plan de division orthogonal à l’axe du cylindre 1 ) en deux parties ou chambres comprenant :
- une première partie supérieure constituant la chambre active CA, qui est ainsi incluse dans le cylindre 1 ;
- et une deuxième partie inférieure constituant la chambre de détente CD.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) La culasse 6 comporte au moins un conduit d’adm ission 8 qui est relié au réservoir 12 et dans lequel s’écoule le fl ux de gaz sous pression de remplissage du cylindre 1 .
Le conduit d’admission 8 se termine à son extrémité inférieure par un orifice d’admission 7 du gaz sous pression agencé au-dessus du piston 2.
La culasse 6 et le piston 2 sont agencés de telle sorte que, lorsque le piston 2 est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston 2 et la culasse 6 est, par construction , réduit au seuls jeux minim um permettant le fonctionnement sans contact entre le piston 2 et la culasse 6, c’est-à-dire sans contact entre la face supérieure 30 du piston 2 et la portion en vis-à-vis de la face inférieure 32 de la culasse 6 qui ferme le cylindre 1 à sa partie supérieure.
Pour ouvrir ou fermer l’orifice d’admission 7, la culasse 6 comporte une soupape d’admission 9, qui est notamment apte à coopérer de manière étanche avec un siège de soupape 20 formé dans la culasse 6 et qui délimite l’orifice d’admission 7.
La culasse 6 comporte aussi au moins une soupape d’échappement, au moins un orifice d’échappement et au moins un conduit d’échappement (non représentés) et dont la conception et le fonctionnement sont similaires au système d’admission décrit ici en détail .
Dans un tel moteur dans lequel le volume du cylindre 1 balayé par le piston 2 est divisé en une chambre dite chambre active CA qui est incluse dans le cylindre 1 , et une deuxième partie constituant une chambre de détente CD :
- a) sous la poussée continue du gaz sous pression admis dans le cylindre 1 , à pression constante de travail, le volume de la chambre active CA augmente en produisant un travail correspondant à la première phase de transfert quasi-isotherme du cycle thermodynam ique de fonctionnement ;
- b) l’admission du gaz sous pression dans le cylindre 1 est obturée dès qu’un volume maximal choisi de la chambre active CA est atteint, la quantité de gaz sous pression comprise dans le chambre active CA se détendant alors en repoussant le piston 2 sur la deuxième partie de sa course descendante qui détermine le volume la chambre de détente CD en produisant un travail correspondant à la deuxième phase de détente du cycle thermodynam ique de fonctionnement ;
- c) lorsque le piston 2 a atteint son point mort bas (PMB), l’orifice d’échappement est ouvert par commande de la soupape d’échappement pour - pendant la remontée du piston 2 sur la totalité de sa course j usqu’à son point mort haut (PMH) - réaliser la troisième phase d’échappement du cycle thermodynam ique de fonctionnement.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Le couple fourni par le moteur est commandé par la commande de l’ouverture et de la fermeture de la soupape d’adm ission 9 en l’ouvrant au point mort haut PMH de la course du piston 2 et en la refermant pour modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l’admission , ainsi que la section de passage de l’ouverture d’admission , notamment en fonction de la valeur de la pression du gaz contenu dans le réservoir de stockage 12. On détermine ainsi la quantité de gaz sous pression qu i est admise dans le cylindre, ainsi que le volume de la chambre active CA.
Le conduit d’admission 8 est relié directement au réservoir de gaz à haute pression 12 qui alimente ainsi directement la chambre active CA, cette dernière et se trouvant ainsi à la même pression que celle du gaz contenu dans la réservoir 12, par exemple de l’ordre de 1 00 bars et elle est supérieure à celle régnant dans la chambre active CA et la chambre de détente CD, par exemple égale à 1 ,5 bar au moment du cycle correspondant au point mort bas PMB du piston , en fin de détente, juste avant l’ouverture de la soupape d’échappement.
La soupape d’admission 9 est guidée en coulissement dans un guide de soupape 206 et elle est montée mobile en déplacement axial - selon son axe principal - entre :
- une position basse de fermeture ou d’obturation (en considérant l’orientation générale verticale des figures et sans référence à la gravité terrestre) qui est représentée à la figure 1 A et dans laquelle la partie inférieure ou tête 25 de la soupape est en appui étanche sur le siège de soupape 20 ; et
- une position haute d’ouverture représentée à la f igure 1 B.
Dans le sens de son ouverture, la soupape d’adm ission 9 se déplace axialement - vers le haut, dans le sens opposé à celui de l’écoulement du flux F de gaz sous pression de remplissage du cylindre. Ainsi , la soupape d’admission s’ouvre dans le sens opposé au flux d’air sous pression de remplissage du cylindre du moteur.
Le moteur comporte un vérin pneumatique, ou vérin à gaz, V de commande de l’ouverture de la soupape d’admission 9 qui , à titre d’exemple non limitatif et selon la conception illustrée aux figures 1 A à 1 C, est aménagé dans la culasse 6.
Le vérin V comporte un cylindre de vérin et un piston P de fermeture qui est lié en déplacement axial avec la tige supérieure 26 de la soupape d’admission 9, et qui est monté coulissant dans le cylindre du vérin V à l’intérieur duquel il délimite de manière étanche une chambre inférieure 1 00, appelée chambre d’ouverture de la soupape d’adm ission 9, ou chambre de pilotage.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Au-dessus du piston P, le cylindre de vérin comporte une chambre supérieure 99 dans laquelle est logé un ressort 13 de rappel élastique de la soupape d’admission 9 qui est par exemple un ressort hélicoïdal qui est monté comprimé dans la chambre supérieure 99 et qui exerce un effort élastique orienté vers le bas sur la face supérieure 27 du piston P.
Au-dessus de la chambre supérieure 99 logeant le ressort de rappel 13, le cylindre de vérin se prolonge par un tronçon supérieur 98 de plus petit diamètre dans lequel la partie supérieure de la tige 26 de la soupape d’admission 9 - qui s’étend au-dessus du piston P - est reçue en coulissement axial .
La face supérieure d’extrémité libre 22 de la tige 26 de la soupape d’admission 9 délimite dans le tronçon 98 une chambre supérieure 101 dite chambre de compensation .
La chambre de compensation 1 01 , aussi appelée chambre d’équilibrage des pressions, est reliée en permanence à la partie supérieure du cylindre 1 située au-dessus du piston 2 par un canal central 1 02 débouchant à ses deux extrémités opposées qui s’étend axialement à travers la soupape 9 sur toute sa hauteur.
Un canal X1 relie le conduit d’admission 8 à la chambre inférieure de compensation 1 00 du vérin V.
Le moteur comporte une valve A commandée dite d’admission qui est agencée dans le canal X1 , et dont l’ouverture peut être commandée pour mettre le conduit d’admission 8 et/ou le réservoir 12 en communication avec la chambre de compensation 1 00.
Un détendeur 1 0 est interposé dans le canal X1 , ici de manière préférentielle en amont de la valve A, pour réduire la pression à la sortie du détendeur 1 0 à une valeur dite de basse pression de l’ordre de quelques bars - par exemple égale à 8 bars - pour alimenter la chambre de compensation 1 00.
Le détendeur 1 0 peut être à pression de sortie constante ou en variante à pression de sortie réglable.
Lorsque la pression de sortie du détendeur est réglable, la commande de sa valeur permet de faire varier la valeur de la levée de la soupape.
La chambre inférieure de compensation 1 00 est ici reliée à la partie supérieure du cylindre 1 située au-dessus du piston 2 par deux canaux consécutifs X2 et X3 avec interposition d’un système de récupération d’énergie 1 1 .
Le moteur comporte une valve B commandée dite valve de vidange B d’obturation agencée dans le canal X2, dont l’ouverture peut être
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) commandée pour mettre la chambre de compensation 1 00 en communication avec le système de récupération d’énergie potentielle 1 1 .
Le moteur comporte une valve C commandée, dite valve de vidange active, qui relie la partie supérieure du cylindre 1 au système de récupération d’énergie potentielle 1 1 et dont l’ouverture peut être commandée pour mettre le système de récupération d’énergie potentielle 1 1 avec le cylindre 1 .
La soupape d’admission 9 est rappelée en permanence vers sa position de fermeture. A titre d’exemple, la soupape d’admission 9 est rappelée élastiquement et est maintenue fermée sur son siège de soupape 20 par un ressort de rappel 13.
De par sa conception selon l’invention , la soupape d’admission 9 est équilibrée face aux efforts de pression régnant dans le cylindre 1 qui s’appliquent sur la face inférieure 21 de la tête 25 de la soupape.
Ceci est obtenu grâce à la présence de la chambre supérieure de compensation 1 01 qui est reliée à la partie supérieure du cylindre 1 par le canal 1 02.
On note ainsi que la valeur de la pression régnant dans la chambre de compensation 1 01 est toujours égale à la valeur de la pression dans le cylindre 1 .
L’aire surfacique de la face supérieure d’extrémité libre 22 de la tige 26 de la soupape d’admission 9 qui est équivalente à l’aire surfacique la face inférieure 21 de la tête 25 de la soupape d’admission 9 qui est soumise à la même valeur de pression , en permettant ainsi d’annuler les effets sur la soupape résultant de la pression .
Le moteur comporte un système de distribution dit à basse pression qui est relié au conduit d’admission 8 par le détendeur 10 dont la valeur de la pression en sortie est inférieure à la pression du gaz à haute pression contenu dans le réservoir 12.
La valeur maximale de la pression régnant dans le système de distribution , en aval du détendeur 1 0, est constante tout au long de la vidange progressive du réservoir 12.
Cette valeur maximale de la pression régnant dans le système de distribution correspond au minimum à l’obtention d’une course complète de levée de la soupape 9, mais elle peut varier en-dessous cette valeur maximale afin de diminuer la course de la soupape d ’admission 9.
Lorsque le piston 2 approche du point mort haut PMH de sa course, la valve dite d’admission A ouvre le canal X1 pour mettre la chambre de pilotage 1 00 en pression en la reliant à la sortie du détendeur 1 0.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) La pression de pilotage s’applique alors sur la surface inférieure 23 du piston P solidaire de la tige ou queue de la soupape 9.
L’effort ainsi appliqué à la soupape d’admission 9 est supérieur à l’effort de rappel vers le bas exercé par le ressort 13 sur la face supérieure 27 du piston P, et il provoque un décollement ou soulèvement de la soupape 9 du siège 20.
La soupape 9 parcourt alors la totalité de sa course d’ouverture et elle met le conduit d’adm ission 8 en communication avec le cylindre 1 .
Seul l’effort exercé d’une part par le ressort 13 et, d’autre part, l’effort de pression exercé sur la face 23 agissent sur la soupape 9.
Lorsque le piston 2 atteint le point de sa course axiale correspondant à la délimitation de la chambre active DD’ (dont la position axiale est fonction du couple demandé), la valve d’admission A est refermée et la valve de vidange B est ouverte pour provoquer la détente du gaz à une valeur de pression inférieure à la pression de pilotage régnant dans la chambre de pilotage 1 00.
La baisse de la valeur de la pression du gaz s’appliquant sur la face inférieure 23 du piston P et la valeur de l’effort de rappel exercé en permanence par le ressort de rappel 13 provoquent alors la descente de la soupape d’admission 9 jusqu’à ce que sa tête 25 soit en appui étanche sur le siège de soupape 20.
La commande de l’ouverture de la valve de vidange B met la chambre de pilotage 100 en communication avec le système 1 1 de récupération d’énergie potentielle.
La soupape d’admission 9 étant fermée, le gaz comprimé présent dans le cylindre 1 se détend au fur et à mesure de la descente du piston 2 et sa valeur diminue.
Lorsque la valeur de la pression dans le cylindre 1 est inférieure ou égale à la valeur de la pression dans le système 1 1 de récupération d’énergie potentielle, la fermeture de la valve de vidange B est commandée, et l’ouverture de la valve de vidange active C est commandée à son tour pour - par le canal X3 - mettre le système 1 1 de récupération d’énergie potentielle en communication avec le cylindre 1 .
La conception du système 1 1 de récupération d’énerg ie potentielle peut prendre plusieurs formes, en fonction du type d’énergie que l’on veut récupérer, et par exemple :
- la forme d’un système de récupération d’énergie potentielle dont le but est de réinjecter dans le cylindre 1 le gaz sous pression utilisé dans le système de distribution active afin de produire un travail mécanique
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) supplémentaire au moyen du piston 2 - selon le mode de réalisation illustré aux figures ; ou
- en variante la forme d’un système de récupération d’énergie potentielle et cinétique au travers d’un système à turbine (non représenté) ; ou
- en variante la forme d’un système de récupération d’énergie thermique (non représenté) .
Un cumul d’un ou plusieurs de ces systèmes de récupération d’énergie peut être envisagé.
Dans le premier cas illustré aux figures, le volume de gaz récupéré et accumulé dans une capacité 1 1 est injecté dans le cylindre 1 en se détendant dans la chambre de détente CD du moteur en produisant un travail qui vient s’ajouter au travail de détente de la charge admise dans la chambre active CA. Ainsi, au sens de l’invention , la valve C est une valve de distribution active.
On comprend dès lors le fonctionnement de la distribution dite active selon l’invention dans lequel , avantageusement, l’énergie nécessaire à la commande de l’ouverture et de la fermeture de la soupape d’admission 9 est réutilisée en totalité ou en partie, sous différentes formes possibles.
La soupape d’échappement et le conduit d’échappement ne sont pas représentés aux figures 1 A à 6, mais l’ensemble fonctionne selon le même principe que celui qui gouverne l’admission .
Le système de commande de la soupape d’échappement peut être connecté au même détendeur 1 0 au même système de récupération d’énergie potentielle 1 1 que ceux appartenant au système de commande la soupape d’admission 9. Le cycle d’ouverture de la soupape d’échappement est proche d’une ouverture au point mort bas de la course du piston 2 et proche d’une fermeture au point mort haut de la course du piston 2.
Description du deuxième mode de réalisation
La description qui suit est effectuée par comparaison avec le premier mode de réalisation préalablement décrit en référence aux figures 1 A à 1 C.
Dans la conception selon ce deuxième mode de réalisation illustré à la figure 2, on remplace les deux valves A et B illustrées aux figures 1 A à 1 C par une valve E à tiroir communément appelée distributeur.
Le distributeur E est du type à deux positions et à trois voies.
Dans son état ou position illustré à la figure, la chambre de pilotage 1 00 est reliée au canal X2 en amont du système de récupération d’énergie potentielle 1 1 .
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Un changement de position du tiroir du distributeur provoque la mise en communication de la sortie du détendeur 1 0 avec la chambre de pilotage 1 00 et l’interruption de la communication entre la chambre de pilotage 1 00 et le canal X2.
Description du troisième mode de réalisation
La description qui suit est effectuée par comparaison avec le premier mode de réalisation préalablement décrit en référence aux figures 1 A à 1 C.
Dans la conception selon ce troisième mode de réalisation illustré à la figure 3, on met en avant la possibilité de désaxer la chambre de pilotage par rapport à la soupape 9 par l’intermédiaire d’un basculeur 14 reliant mécaniquement la soupape d’admission 9 à un vérin pneumatique V comportant la chambre de pilotage 1 00.
Le vérin V est désaxé ou décalé latéralement et il peut notamment être agencé à l’extérieur de la culasse 6 sous la forme d’un composant discret indépendant.
Cette conception permet de dimensionner plus aisément le vérin V et la chambre de pilotage.
Elle facilite aussi la fabrication et la maintenance, et elle permet de limiter les inconvénients dus aux fuites éventuellement présentes au niveau du piston P du vérin V illustré selon le premier mode de réalisation.
A titre d’exemple non limitatif , un vérin V de commande de l’ouverture de la soupape peut être du type dit « Muscle pneumatique » dont notamment le comportement force/course est quasi linéaire et dont la course est directement réglable par réglage de la valeur de sa pression d’alimentation .
Un tel vérin peut être utilisé avec une pression basse d’alimentation égale ou inférieure par exemple à 8 bars.
Ce type m uscle pneumatique (Fluidic Muscle DMSP) est par exemple commercialisé sous la marque déposée « FESTO » .
Le basculeur 14 est monté pivotant autour d’un axe 1 5 qui est orthogonal à l’axe de coulissement de la soupape d’admission 9. L’une de ses extrémités est reliée directement ou indirectement à la tige 26 de la soupape, et son autre extrémité opposée est reliée à l’organe de sortie 1 7 du vérin décalé V.
Selon une première variante et comme illustré à la figure 4, on peut remplacer les deux valves A et B de la figure 3 par une valve ou distributeur à tiroir E.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Selon une autre variante et comme illustré à la figure 5, et par comparaison avec le mode de réalisation préalablement décrit en référence à la figure 3, on a représenté la possibilité de régler la position de l’axe 15 de pivotement du basculeur 14 et ainsi de faire varier la course de la soupape 9 en fonction des différentes phases de fonctionnement du moteur.
Description d’une cartouche intég rant une soupape
On a représenté à la figure 6 une cartouche 200 comportant un boîtier en deux parties inférieure 202 et supérieure 204 qui logent un guide externe de soupape 206 qui guide en coulissement la tige 26 d’une soupape 9 dont la tête inférieure 25 est illustrée en vis-à-vis d’un siège de soupape 20 intégré à la partie inférieure 202 du boîtier de la cartouche 200.
L’orifice d’admission 7 est formé dans la partie inférieure 202 du boîtier de la cartouche et il est ici cylindrique de section circulaire
Le tronçon supérieur de la tige 25 est conformé en un piston P creux dans lequel est reçu de manière étanche un guide interne de soupape 207.
Au sens de l’invention , la chambre de compensation 1 01 est ainsi agencée à l’interface entre la face supérieure 22 de la tige 25 - dans laquelle débouche le canal d’équilibrage 1 02 - et la portion de face inférieure en vis- à-vis 209 du guide interne 207.
Le guide externe 206 et la partie inférieure 202 du boîtier sont traversés par des passages 21 0 de mise à l’air libre.
A la figure 6, la soupape 9 est illustrée dans sa position haute maximale correspondant à la commande de son ouverture complète.
Cette position est déterminée par une surface de butée mécanique 212 portée par la partie supérieure 204 du boîtier contre laquelle la face supérieure 27 est en appui axial vers le haut.
Le piston creux P solidaire de la tige 25 est apte à être entraîné en coulissement axial dans les deux sens - entre sa position haute illustrée à la figure 6 et sa position basse dans laquelle la tête 25 est en appui axial vers le bas contre le siège 20 (Voir figure 7) - par un basculeur 14 qui est monté pivotant autour d’un axe fixe 1 5 porté par la partie supérieure 204 du boîtier de la cartouche 200.
L’extrémité libre 214 du basculeur 14 est apte à être reliée de manière articulée à la tige de sortie d’un actionneur ou vérin de commande qui est par exemple un muscle pneumatique tel qu’illustré à la figure 7.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) Description de la figure 7 intégrant une cartouche « d’admission » et une cartouche « d’échappement »
A la figure 7 qui présente une symétrie générale par rapport à un plan vertical médian , on a représenté à la partie gauche une cartouche 200 d’admission et à la partie droite une cartouche d’échappement 200’ dont tous les composants sont désignés par les mêmes références numériques augmentées de l’indice « prime » .
Description du piston de la figue 8
Conformément à l’invention , la culasse 6 est conçue et agencée de telle sorte que, lorsque le piston 2 est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston 2 et la culasse 6 est, par construction , réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston 2 et la culasse 6.
La figure 8 illustre un exemple de conception d’un piston 2 particulièrement adapté à l’obtention de ce résultat.
A cet effet, la face supérieure 30 du piston est une face plane qui s’étend dans un plan orthogonal à l’axe de coulissement du piston et - lorsque le piston 2 est à son point mort haut PMH correspondant à zéro degré d’angle du vilebrequin - cette face supérieure est ainsi apte à être adjacente, quasiment sans jeu axial , à la face inférieure 32 en vis-à-vis de la culasse 6.
Afin de « combler » chaque volume mort correspondant à chaque orifice d’admission 7 (ou d’échappement 7’) la face supérieure 30 comporte en saillie autant de pions ou doigts 220 (220’) dont chacun est dimensionné (en diamètre et en hauteur) pour être reçu dans un orifice d’admission 7 (7’) .
L’exemple illustré à la figure 8 comporte deux doigts 220 pour deux orifices d’admission et deux doigts 220’ pour deux orifices d’échappement 7’.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26)

Claims

24 REVENDICATIONS
1. Moteur à chambre active fonctionnant selon un cycle thermodynamique à trois phases comportant:
- une phase de transfert isobare et isotherme;
- une phase de détente polytropique avec travail ;
- une phase d'échappement à pression ambiante ; ce moteur comportant:
- au moins un cylindre (1 ) alimenté par un gaz sous pression, préférentiellement par de l'air comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression (12) ,
- au moins un piston (2) qui est monté coulissant dans ce cylindre (1 ),
- un vilebrequin (5) entraîné par le piston au moyen d'un dispositif bielle-manivelle (3,4) traditionnel ,
- une culasse (6) qui ferme à sa partie supérieure le volume du cylindre (1 ) qui est balayé par le piston (2) , et qui comporte au moins un conduit d'admission (8) dans lequel s'écoule un flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre, un orifice d'admission (7) du gaz sous pression au-dessus du piston , et au moins un orifice d'échappement et un conduit d'échappement, la culasse étant agencée de telle sorte que, lorsque le piston (2) est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston (2) et la culasse (6) est, par construction , réduit aux seuls jeux minim um permettant le fonctionnement sans contact entre le piston (2) et la culasse (6) ,
- au moins une soupape d'admission (9) qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape (20) formé dans la culasse (6) et qui délimite l'orifice d'adm ission (7) , moteur dans lequel :
-- le volume du cylindre (1 ) balayé par le piston (2) est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant une chambre active (CA) qui est incluse dans le cylindre (1 ) et une deuxième partie constituant une chambre de détente (CD) , -- sous la poussée continue du gaz sous pression admis dans le cylindre (1 ) , à pression constante de travail , le volume de la chambre active (CA) augmente en produisant un travail correspondant à la phase de transfert isobare et isotherme du cycle thermodynamique de fonctionnement,
-- l'admission du gaz sous pression dans le cylindre (1 ) est obturée dès que le volume maximal de la chambre active (CA) est atteint, la
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) quantité de gaz sous pression comprise dans ladite chambre active (CA) se détendant alors en repoussant le piston (2) sur la deuxième partie de sa course qui détermine la chambre de détente (CD) en produisant un travail correspondant à la phase de détente polytropique du cycle thermodynam ique de fonctionnement, -- le piston (2) ayant atteint son point mort bas, l'orifice d'échappement est alors ouvert pour réaliser la phase d'échappement (7) du cycle thermodynam ique de fonctionnement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course jusqu'à son point mort haut, -- le couple et le régime du moteur sont commandés par l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission (9) en permettant d'ouvrir la soupape d'admission (9) , sensiblement au point mort haut de la course du piston , et en permettant, par la fermeture de la soupape (9) , de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l'admission , ainsi que la section de passage de l'ouverture d'admission afin , en fonction de la pression du gaz comprimé contenu dans le réservoir de stockage (12) et de la pression en fin de la phase de détente, de déterminer la quantité de gaz sous pression adm ise ainsi que le volume de la chambre active (CA) , caractérisé en ce que:
- a) la soupape d'admission (9) est montée mobile en déplacement axial entre une position basse de fermeture dans laquelle elle est en appui étanche sur son siège de soupape (20) , et une position haute d'ouverture,
- b) dans le sens de son ouverture, la soupape d'admission (9) se déplace axialement, dans le sens opposé à celui de l’écoulement du flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre (1 ) ,
-c) dans sa position de fermeture, la soupape d’admission (9) est maintenue fermée sur son siège (20) par un ressort (13),
- d) les efforts axiaux s’exerçant sur la soupape d’admission (9) qui résultent de la pression régnant dans le conduit d’admission (8) et dans le cylindre (1 ) sont en permanence équilibrés,
- e) le moteur comporte un vérin pneumatique (V) de commande de l’ouverture de la soupape d’admission (9) , sensiblement au point mort haut de la course du piston (2) , pour provoquer le décollement de la soupape d'admission (9) de son siège (20) pour permettre rétablissement de la pression d'admission dans la chambre active (CA) , la soupape parcourant alors sa course complète d'ouverture à l’encontre de l’effort exercé par le ressort de rappel (13) ,
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) - f) le vérin pneumatique(V) comporte un cylindre de vérin et un piston (P) qui est relié à la soupape d’admission (3) et qui délimite une chambre de pilotage (1 00) qui est reliée à une source (10) de gaz à basse pression ,
- g) le moteur comporte un canal (X1 ) qui relie la source (1 0) de gaz à basse pression à la chambre de pilotage (100) , et une valve une valve (A) commandée d’adm ission du gaz à basse pression dans la chambre de pilotage (100) ,
- i) le moteur comporte un canal (X2) de commande de fermeture de la soupape d’admission (9) qui relie la chambre de pilotage (1 00) à l’air libre ou à un système de récupération d’énergie (1 1 ) , et une valve (B) commandée de vidange de la chambre de pilotage.oteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la source de gaz à basse pression est un détendeur (1 0) dont l’entrée est reliée au réservoir de stockage à haute pression (12) ou au conduit d’adm ission (8) , et dont la sortie est reliée à la chambre de pilotage (1 00) . oteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le détendeur
(1 0) est un détendeur à pression de sortie variable commandée pour faire varier la valeur de la levée de la soupape d’admission (9) de son siège (20) . oteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un système (1 1 ) de récupération d’énergie, un canal (X3) qui relie le système (1 1 ) de récupération d’énergie à la partie supérieure du cylindre (1 ) située au-dessus du piston (2) , et une valve une valve (C) commandée de vidange active du système de récupération d’énergie dans la partie supérieure du cylindre (1 ) . oteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les valves d’adm ission (A), de vidange (B) et de vidange active (C) sont commandées selon le cycle suivant :
- i) ouverture de la valve d’admission (A) pour mettre la chambre de pilotage (1 00) en communication avec la source (1 0) de gaz basse pression et provoquer l’ouverture de la soupape d’admission (9) aux alentours du point mort haut du piston (B) pour mettre le conduit d’adm ission (8) en communication avec la chambre active (CA) du cylindre (1 ) ,
- ii) fermeture de la valve d’admission (A) et ouverture de la valve de vidange (B) lorsque le piston (2) atteint la limite (DD’) demandée de la chambre active (CA) pour provoquer une baisse de la pression
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) 27 dans la chambre de pilotage (1 00) et pour provoquer la fermeture de la soupape d’admission (9)
- iii) fermeture de la valve (B) et, lorsque la pression dans le cylindre (1 ) est inférieure ou égale à la pression dans le système de récupération d’énergie (1 1 ) , ouverture de la valve de vidange active (C) pour introduire dans le cylindre (1 ) une charge qui s’ajoute à la charge préalablement admise dans la chambre active (CA) ,
- iv) fermeture de la valve de vidange active (C) lors de la remontée du piston (2). oteur selon a revendication 1 , caractérisé en ce que le vérin pneumatique (V) de commande de l’ouverture de la soupape d’adm ission (9) est intégré à la culasse (6) et son piston (P) est solidaire de la tige (26) de la soupape d’admission (9) . oteur selon a revendication 1 , caractérisé en ce que le vérin pneumatique (V) de commande de l’ouverture de la soupape d’admission (9) est agencé à l’extérieur de la culasse, et en ce que l’organe de sortie (1 7) du vérin est reliée, directement ou indirectement, à la tige (26) de la soupape d’admission (9) par un organe (14) de transmission de mouvement. oteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le vérin pneumatique (V) de commande de l’ouverture de la soupape d’admission (9) est un muscle pneumatique, et en ce que ledit organe de transmission de mouvement est un basculeur (14) qui est monté pivotant autour d’un axe (1 5) qui est orthogonal à l’axe de coulissement de la soupape d’admission (9) dont l’u ne des extrémités est reliée, directement ou indirectement, à la tige (26) de la soupape d’admission (9) , et l’autre extrémité opposée est reliée à l’organe de sortie (1 7) du vérin pneumatique de commande.oteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la position de l’axe de pivotement (1 5) du basculeur est réglable entre ses deux extrémités opposées. oteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tige (26) de la soupape d’admission est traversée axialement par un canal (102) d’équilibrage des pressions qui débouche dans une chambre (1 01 ) de compensation et dans la partie supérieure du cylindre (1 ) .
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26)
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