EP4339423A1 - Moteur à vapeur équipé d'une enceinte de chauffage électrique reliée à une batterie rechargeable - Google Patents

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EP4339423A1
EP4339423A1 EP23180375.0A EP23180375A EP4339423A1 EP 4339423 A1 EP4339423 A1 EP 4339423A1 EP 23180375 A EP23180375 A EP 23180375A EP 4339423 A1 EP4339423 A1 EP 4339423A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
enclosure
heating
motor
engine
Prior art date
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Pending
Application number
EP23180375.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christian Huet
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication of EP4339423A1 publication Critical patent/EP4339423A1/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
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/34—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating
    • F01K7/36—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of extraction or non-condensing type; Use of steam for feed-water heating the engines being of positive-displacement type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G1/00—Steam superheating characterised by heating method
    • F22G1/16—Steam superheating characterised by heating method by using a separate heat source independent from heat supply of the steam boiler, e.g. by electricity, by auxiliary combustion of fuel oil
    • F22G1/165—Steam superheating characterised by heating method by using a separate heat source independent from heat supply of the steam boiler, e.g. by electricity, by auxiliary combustion of fuel oil by electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines

Definitions

  • the present invention relates to an engine operating with steam and more precisely according to a closed circuit, usable in the field of road motor vehicles, railways, ships or even industry.
  • thermal engines that operate using different energy sources.
  • the steam engine is an external combustion engine which transforms the thermal energy of water vapor produced by one or more boilers into mechanical energy. Typically, this steam enters a cylinder and exerts a pressure which gives reciprocating movement to a piston, which can turn a wheel for example via a system of connecting rods/cranks.
  • the object of the present invention is to retain the use of the vapor of a fluid brought to high temperature / pressure in an enclosure as a primary source of energy to operate a piston with reciprocating movement, but by improving it under different aspects to make it easier to use, reliable, compact, environmentally friendly, with improved efficiency and power.
  • the exhaust pipe is connected to a turbine of a turbocharger interposed between the motorization enclosure and the depression tank/the depression box.
  • the first intake pipe is connected to a compressor of a turbocharger interposed between the depression tank/depression box and the heating enclosure/the boiler to increase the steam pressure.
  • This turbocharger draws the used steam from the vacuum tank to send it to the heating chamber to return the steam to the desired temperature.
  • the depression tank/depression box comprises a second electrical heating means connected to the battery and producing a temperature maintenance of the fluid between approximately 100° C and 120° C, preferably at approximately 110°C.
  • each inlet and outlet is equipped with a sealed non-return valve, such as a flap, a valve or a drawer, controlled mechanically and/or by an electronic control module and preventing the return of vaporized fluid to the heating chamber/boiler.
  • a sealed non-return valve such as a flap, a valve or a drawer
  • each outlet is equipped with a sealed non-return valve, such as a flap, a valve or a drawer, controlled mechanically and/or by an electronic control module and preventing the return of the vaporized fluid to the motorization enclosure.
  • a sealed non-return valve such as a flap, a valve or a drawer
  • the motor shaft is connected to an alternator recharging the battery during its rotation.
  • the first heating means comprises a series of parallel tubes surrounded by electrical resistances and inside which the fluid circulates to be heated there.
  • the first heating means comprises a series of parallel heating plates very close together and between which the fluid circulates to be heated there.
  • the fluid is a fatty hydrocarbon, for example hexane
  • the engine contains between approximately 20 and 30 dm3 of fluid.
  • the cylinder capacity of the motorization enclosure is between approximately 1000 and 2000 cm 3 , preferably between approximately 1200 and 1600 cm 3 , the cylinder capacity may vary depending on the final use and will of course be different depending on the it is a pump, a car, an industrial plant or a locomotive.
  • FIG. 1 there figure 1 is a schematic view of the engine according to the present invention and its mode of operation.
  • FIG. 1 is therefore a block diagram illustrating a so-called self-energetic engine M operating on steam in accordance with the present invention.
  • This motor M comprises a part using a fluid, for example water or preferably a fatty hydrocarbon such as hexane, vaporizable under high pressure using heating means, and an electrical part serving both as a source of energy for the heating means and for accumulating electrical energy then returning the latter to said means of heating.
  • a fluid for example water or preferably a fatty hydrocarbon such as hexane, vaporizable under high pressure using heating means, and an electrical part serving both as a source of energy for the heating means and for accumulating electrical energy then returning the latter to said means of heating.
  • the engine M comprises at least one heating enclosure 10 (or boiler) containing a fluid F and enclosing a first heating means 12 intended to bring said fluid F to the vapor state.
  • the first heating means 12 comprises for example in the present case a series of parallel tubes surrounded by electrical resistances inside which the fluid F circulates to heat it or reheat it instantly, or else a series of parallel heating plates very close together and between which the fluid F circulates to be heated or reheated. Whatever its structure, this heating means 12 is supplied with electrical energy by a battery 120, for example 12 Volts.
  • the heating enclosure 10 communicates upstream with a reservoir 20 of vaporized fluid, called a depression tank or depression box, using a first pipe 30 making it possible to transport the fluid F from the depression reservoir 20 / depression box towards said heating enclosure 10.
  • the vacuum tank 20 comprises a second electric heating means 22 also connected to the battery 120 and producing a temperature maintenance of the fluid F between approximately 100° C and 120° C, preferably at approximately 110° C.
  • the heating enclosure 10 also communicates, downstream, with a high-pressure steam engine enclosure 40 using a second inlet pipe 50 making it possible to transport the vaporized fluid from the heating enclosure 10 to said motorization enclosure 40.
  • the first intake pipe 30 is connected to a compressor 90 of a turbocharger interposed between the vacuum tank 20 and the heating enclosure 10 to increase the pressure of the steam generated before being reheated in said heating enclosure 10 .
  • the motorization enclosure 40 contains at least one double-acting piston 60 moving (arrows T1 and T2) in an alternating and sealed manner.
  • This piston 60 comprises a rod 62 and a head 64 on either side of which are defined a first compression chamber C1 and a second compression chamber C2.
  • the first compression chamber C1 is connected on the one hand to a first inlet 52 of vaporized fluid communicating with the second intake pipe 50 and on the other hand to a first outlet 55 of vaporized fluid.
  • the second compression chamber C2 is connected on the one hand to a second inlet 54 of vaporized fluid also communicating with the second intake pipe 50 and on the other hand to a second outlet 57 of vaporized fluid.
  • the cylinder capacity of the motorization enclosure 40 is, for example for a standard car, between approximately 1000 and 2000 cm 3 , preferably between approximately 1200 and 1600 cm 3 .
  • the fluid outlets 55 and 57 join in a third common exhaust pipe 70 which ends in the depression tank 20 using a fourth pipe 80.
  • the third exhaust pipe 70 is also connected to a compressor 100 of the turbocharger interposed between the motorization enclosure 40 and the depression tank 20.
  • the first inlet 52 of vaporized fluid is equipped with a sealed non-return valve 72, such as a flap, a valve or a drawer, controlled mechanically and/or by an electronic control module and preventing the return of the vaporized fluid towards the heating enclosure 10.
  • a sealed non-return valve 72 such as a flap, a valve or a drawer
  • the second inlet 54 of vaporized fluid is equipped with a sealed non-return valve 74, such as a flap, a valve or a drawer, controlled mechanically and/or by an electronic control module and preventing the return of the fluid vaporized towards the heating enclosure 10.
  • a sealed non-return valve 74 such as a flap, a valve or a drawer
  • the first fluid outlet 55 is equipped with a sealed non-return valve 75, such as a flap, a valve or a drawer, controlled mechanically and/or by an electronic control module and preventing the return of the fluid vaporized towards the motorization enclosure 40.
  • a sealed non-return valve 75 such as a flap, a valve or a drawer
  • the second fluid outlet 57 is equipped with a sealed non-return valve 77, such as a flap, a valve or a drawer, controlled mechanically and/or by an electronic control module and preventing the return of the fluid vaporized towards the motorization enclosure 40.
  • a sealed non-return valve 77 such as a flap, a valve or a drawer
  • the rod 61 of the piston 60 is for its part connected to a set 110 of connecting rods and cranks rotating a motor shaft 114 thanks to the reciprocating linear movement of said piston 60 and the rotary movement of the connecting rod/crank assembly 110.
  • the heating enclosure 10 with its internal heating means 12, the motorization enclosure 40, the depression tank 20 with its internal heating means 22 and the first, second, third and fourth pipes 30, 50, 70 and 80 for transporting vaporized fluid form a closed sealed circuit containing between approximately 20 and 30 dm 3 of fluid F circulating in a loop. Due to this closed circuit and the tightness of these enclosures and the various pipes, no loss of fluid is possible.
  • the production of the engine parts can be made of non-ferrous metal or synthetic material since the operating temperature will only be 100 to 150° C. However, for higher performance where the temperature can exceed 200° C, the choice of materials will be of significant importance, particularly to reduce thermal losses. This choice will also depend on the steam pressure, linked to this temperature.
  • a characteristic making the invention special consists in that the first heating means 12 of the heating enclosure 10 is connected to a power supply battery 120.
  • This battery 120 is therefore considered as a secondary source of a power point. view of the operation of the motor M because it is the fluid vapor which causes the reciprocating movement of the piston 60 and the rotation of the motor shaft 114, and not directly the electricity produced.
  • the motor shaft 114 is also connected to an alternator 118 via, for example, a belt 116.
  • This alternator 118 allows, during the rotation of the motor shaft 114, to recharge the battery 120 with electrical energy during the operation of the motor M.
  • the operation of the motor M according to the present invention is as follows.
  • the heating enclosure 10 the depression tank 20 is empty or almost empty
  • the engine (M) is at rest, the piston 60 being in a first position inside the chambers C1 and C2 of the motorization enclosure 40, and the different valves 72, 74, 75 and 77 allow the admission of fluid vapor under high pressure through one or other of inlets 52 or 54.
  • the heating body 12 causes instantaneous vapor of the fluid F in the heating enclosure 10, at the desired temperature and pressure.
  • the piston 60 in its back-and-forth movement caused by the simultaneous pressure of the steam on either side of the head 64 in alternately each of the chambers C1 then C2 (the volume of which therefore changes constantly, when the volume of one increases, the volume of the other decreases in the same proportions, and vice versa), produces, via the connecting rod/crank assembly, a rotary movement of the motor shaft 114 (power take-off) .
  • the hot gases are expelled under high pressure with each reciprocating movement of the piston 60 by the isothermal pipes 55 and 57 which join in the third pipe 70 to activate the turbine 100 driving the turbocharger before arriving in the vacuum tank 20 where the vaporized fluid F is kept in a gaseous state using electrical resistances 22.
  • a defined quantity of gases contained in the vacuum tank 20 is sucked in by the compressor 90 of the turbocharger whose rotation shaft has a variator speed according to the desired pressure.
  • These gases are then sent under pressure, via the first pipe isothermal 30, in the heating enclosure 10 containing the heating body 12 to be reheated to the desired temperature and pressure, before being sent back into the motorization enclosure 40 to act on the piston 60, and so on, which forms a sealed closed circuit rotating in a loop.
  • the alternator 118 is driven by the belt 116 connected to the motor shaft 114 to permanently recharge the battery 120.
  • the aim of this system is to permanently preserve this steam by heating it more or less by the instantaneous steam boiler 10, typically to a temperature of around 100 to 120 ° .
  • the battery 120 it initially heats a small quantity of fluid F, but as soon as the motorization enclosure 40 operates, it only maintains the temperature slightly lower than that in the motor M. During its journey, the vapor must not become liquid again, but must simply cool slightly in the vacuum tank 20 before being recompressed by the compressor 90 of the turbocharger. The battery 120 is therefore no more stressed than in a gasoline engine where it ensures ignition.
  • the number of motorization enclosures and/or pistons can be increased according to the desired power, with a common battery/alternator or for each motorization enclosure.

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Abstract

L'invention concerne un moteur (M) à vapeur comportant au moins un réservoir (20) de fluide (F), une première canalisation (30) pour transporter le fluide (F) du réservoir (20) vers une enceinte (10) de chauffage renfermant un premier moyen (12) de chauffage portant ledit fluide (F) à l'état de vapeur, une deuxième canalisation d'admission (50) pour transporter le fluide vaporisé (F) de l'enceinte (10) de chauffage vers une enceinte (40) de motorisation à vapeur sous haute pression à l'intérieur de laquelle se déplace au moins un piston double effet (60) présentant une tige (62) et une tête (64) de part et d'autre de laquelle sont définies une première chambre de compression (C1) une seconde chambre de compression (C2), et une troisième canalisation d'échappement (70) pour transporter le fluide vaporisé de l'enceinte (40) de motorisation vers le réservoir (20) de dépression, le premier moyen de chauffage (12) étant électrique et relié à une batterie d'alimentation (120).

Description

    Domaine technique de l'invention
  • La présente invention concerne un moteur fonctionnant à la vapeur et plus précisément selon un circuit fermé, utilisable dans le domaine des véhicules automobiles routiers, les chemins de fers, les navires ou encore l'industrie.
    • Technique antérieure
  • Il existe de nombreux types de moteurs dits thermiques fonctionnant à l'aide de différentes sources d'énergie. Une des plus ancienne, si ce n'est la plus ancienne, est appelée machine à vapeur ou moteur à vapeur de Denis Papin et date de la fin du 17ème siècle.
  • La machine à vapeur est un moteur à combustion externe qui transforme l'énergie thermique de la vapeur d'eau produite par une ou plusieurs chaudières en énergie mécanique. Typiquement, cette vapeur entre dans un cylindre et exerce une pression qui donne un mouvement alternatif à un piston, lequel peut faire tourner une roue par exemple par l'intermédiaire d'un système de bielles/manivelles. Parmi ces machines à vapeur, on peut citer celles de James Watt (1763) et de Lenoir (1860) pour l'industrie, et, dans le domaine de l'automobile, le français Joseph Cugnot avec son fardier (1769), les automobiles (102,7 km/h en 1902), camions et tramways des frères Serpolet fabriqués à Paris, Londres et Milan de 1887 à 1907 les automobiles du Français Amédée Bollée avec la Mancelle en 1878), l'Obéissante en 1875 et les Rapides en 1883 (60 km/h), et les Stanley américaines fabriquées en grand nombre (200 exemplaires en 1897 et un record de vitesse de 241 km/h en 1907, 600 exemplaires en 1924 avant l'arrêt en 1927) et les locomotives à vapeur du 19ème siècle utilisées dans le monde entier jusque dans les années 50,
  • Ce type de machines a également été utilisé dans l'industrie, notamment au 19ème siècle, et se retrouve sur les catapultes de porte avion.
  • Le principe du mouvement alternatif d'un ou plusieurs pistons pour actionner une roue, un arbre moteur ou bien un vilebrequin est encore à ce jour sans doute le plus utilisé, avec de nombreuses variantes technologiques. Les sources d'énergie du système de chauffage (chaudière) ont également nettement évolué au fil du temps avec principalement des carburants à base de pétrole (les machines Serpollet des frères Serpolet de 1879 fonctionnant au kérosène, les Stanley de 1897 à 1927 fonctionnant à l'essence de pétrole), l'hydrogène ou encore l'air comprimé, de sorte que l'on s'est éloigné de la machine à vapeur, tout du moins en ce qui concerne les moteurs de voiture.
  • Les véhicules à vapeur présentaient des avantages sur les véhicules à moteur quatre temps par leurs performances, leur accélération supérieure et leur meilleure tenue de route avec le moteur sous le châssis, abaissant le centre de gravité. Cependant, leur prix plus élevé, les risques d'incendies au début du 20ème siècle, leur démarrage plus compliqué, moins propre et plus long (de quatre minutes en 1900 à une minute après la première guerre mondiale), ont donné l'avantage aux automobiles à moteur quatre temps. Certaines industries et machines agricoles ont continué d'utiliser la vapeur jusqu'en 1950.
  • En plus de ceux mentionnés, pour les voitures à vapeur du début du XXe siècle, il existait un autre problème majeur : le temps nécessaire pour atteindre les conditions opérationnelles. En fait, il fallait souvent plus d'une minute pour les obtenir et faire démarrer le moteur. Pour résoudre cette limitation, sur les modèles produits ultérieurement, un type de chaudière a été mis au point. Les temps nécessaires pour atteindre la température de fonctionnement étaient beaucoup plus courts que ceux d'un modèle traditionnel, dans la mesure où une petite quantité d'eau y était chauffée. Ce dernier fournissait au moteur assez d'énergie pour démarrer le véhicule avant que toute la quantité de liquide ne soit chauffée. Plus récemment, sur les voitures à vapeur Doble, il existait également un système d'allumage de brûleur fonctionnant au diesel et qui accélérait encore cette phase.
  • En résumé, comme il s'agissait de dispositifs très complexes, les coûts étaient potentiellement très élevés et donc peu abordables. Les risques de blessures étaient importants en raison notamment de l'instabilité de la haute pression. Les pertes d'énergies sont conséquentes et la mise au point complexe.
  • Le développement de ces machines a été ralenti par une législation défavorable dans les années 1830, puis par le développement rapide de la technologie des moteurs à combustion interne dans les années 1900, menant à leur disparition commerciale. Relativement peu de véhicules à vapeur sont restés en service après la Seconde Guerre mondiale. Bon nombre de ces véhicules ont été acquis par des passionnés pour la conservation. La recherche de sources d'énergie renouvelables a parfois suscité un regain d'intérêt pour l'utilisation de la vapeur pour les véhicules routiers.
  • Ainsi, suite à la crise énergétique des années 70, Saab a ensuite développé un prototype qui possédait un générateur de vapeur produisant une puissance de 250 chevaux et la taille d'un batterie auto. Par la suite, l'anglais Peter Pellandine a produit dans les années 1973-74 sa première voiture à vapeur avec une structure monocoque en fibre de verre, puis un second modèle avec une configuration en forme de W de trois cylindres à double effet.
  • Dans les années 1990, une filiale du groupe Volkswagen opérant dans le secteur de la recherche et le développement a conçu et construit une machine à vapeur appelée « zi » (acronyme « Zéro émission Engine », à savoir « zéro moteur d'émission »), qui produit la puissance 220 CV à l'aide d'un moteur à vapeur à chemises de cylindre en céramique.
  • Quelques autres projets virent le jour au 21ème siècle comme le moteur expérimental Cyclone de Harry Schoell caractérisé par une chambre de combustion centrifuge et des émissions de polluants particulièrement faibles.
  • Enfin, le 25 Août 2009, la société Britannique Vapeur Défi automobile va battre son record de vitesse terrestre valable pour les véhicules à vapeur avec une vitesse moyenne record de 238,679 km/h.
  • Cependant, depuis l'avènement du moteur à combustion interne, notamment à 4 temps utilisant du carburant à base de pétrole, considérés comme plus propres, plus fiables et ayant un bien meilleur rendement, très peu de recherche et d'évolutions ont été apportées aux moteurs à vapeur, notamment dans le domaine des véhicules automobiles routiers.
    • Présentation de l'invention
  • L'objet de la présente invention est de conserver l'utilisation de la vapeur d'un fluide portée à haute température / pression dans une enceinte comme source primaire d'énergie pour faire fonctionner un piston à mouvement alternatif, mais en le perfectionnant sous différents aspects pour le rendre plus facile d'utilisation, fiable, compact, respectueux de l'environnement, avec un rendement et une puissance améliorés.
  • A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention se rapporte à un moteur à vapeur comportant au moins :
    • une enceinte de chauffage/chaudière renfermant un premier moyen de chauffage portant un fluide à l'état de vapeur,
    • un réservoir de fluide vaporisé, appelé réservoir de dépression ou caisson de dépression, relié en amont de l'enceinte de chauffage par une première canalisation,
    • une deuxième canalisation d'admission pour transporter le fluide vaporisé de l'enceinte de chauffage/chaudière en aval de cette dernière vers une enceinte de motorisation à vapeur sous haute pression à l'intérieur de laquelle se déplace, de manière alternative et étanche, au moins un piston double effet présentant une tige et une tête de part et d'autre de laquelle sont définies :
      • * une première chambre de compression reliée à une première entrée de fluide vaporisé communiquant avec la deuxième canalisation et avec une première sortie de fluide vaporisé et
      • * une seconde chambre de compression reliée à une seconde entrée de fluide vaporisé communiquant également avec la deuxième canalisation et avec une seconde sortie de fluide vaporisé,
    • la tige du piston étant relié à un ensemble bielles / manivelles mettant en rotation un arbre moteur grâce au mouvement linéaire alternatif de ladite tige,
    • une troisième canalisation d'échappement pour transporter le fluide vaporisé issue des première et seconde sorties vers le réservoir de dépression/caisson de dépression,
    • le réservoir de dépression/caisson de dépression, l'enceinte de chauffage, l'enceinte de motorisation et les première, deuxième et troisième canalisations de transport de fluide vaporisé formant un circuit étanche fermé, et
    • le premier moyen de chauffage est électrique et est relié à une batterie d'alimentation.
  • L'invention est mise en oeuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.
  • De préférence, la canalisation d'échappement est reliée à une turbine d' un turbocompresseur interposé entre l'enceinte de motorisation et le réservoir de dépression/le caisson de dépression.
  • Avantageusement, la première canalisation d'admission est reliée à un compresseur d'un turbocompresseur interposé entre le réservoir de dépression/caisson de dépression et l'enceinte de chauffage/la chaudière pour augmenter la pression de la vapeur. Ce turbocompresseur aspire la vapeur utilisée issue du réservoir de dépression pour l'envoyer dans l'enceinte de chauffage pour remettre la vapeur à la température désirée.
  • Selon un mode de réalisation préférée de la présente invention, le réservoir de dépression/caisson de dépression comporte un second moyen de chauffage électrique relié à la batterie et produisant un maintien en température du fluide entre environ 100° C et 120° C, de préférence à environ 110° C.
  • Selon un mode particulier de réalisation de la présente invention, chaque entrée et sortie est équipée d'une vanne étanche anti-retour, telle qu'un clapet, une soupape ou un tiroir, pilotée mécaniquement et/ou par un module de commande électronique et empêchant le retour du fluide vaporisé vers l'enceinte de chauffage/la chaudière.
  • De même, chaque sortie est équipée d'une vanne étanche anti-retour, telle qu'un clapet, une soupape ou un tiroir, pilotée mécaniquement et/ou par un module de commande électronique et empêchant le retour du fluide vaporisé vers l'enceinte de motorisation.
  • Selon un aspect particulièrement intéressant de la présente invention, l'arbre moteur est relié à un alternateur rechargeant la batterie lors de sa rotation.
  • Selon une caractéristique particulière de la présente invention, le premier moyen de chauffage comporte une série de tubes parallèles entourés de résistances électriques et à l'intérieur desquels le fluide circule pour y être réchauffé.
  • Selon une variante, le premier moyen de chauffage comporte une série de de plaques de chauffage parallèles très rapprochées et entre lesquelles le fluide circule pour y être réchauffé.
  • De manière avantageuse, le fluide est un hydrocarbure gras, par exemple de l'hexane
  • De manière préférée, le moteur comporte entre environ 20 et 30 dm3 de fluide.
  • Selon une caractéristique particulière, la cylindrée de l'enceinte de motorisation est comprise entre environ 1000 et 2000 cm3, de préférence entre environ 1200 et 1600 cm3, la cylindrée pouvant varier selon l'utilisation finale et sera bien entendu différente selon s'il s'agit d'une pompe, d'une voiture, d'une installation industrielle ou d'une locomotive.
    • Brève description des figures
  • D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif.
  • [Fig. 1] la figure 1 est une vue schématique du moteur conforme à la présente invention et de son mode de fonctionnement.
    • Description des modes de réalisation
  • La figure 1 est donc un schéma de principe illustrant un moteur M dit auto-énergétique fonctionnant à la vapeur conformément à la présente invention.
  • Ce moteur M comporte une partie mettant en oeuvre un fluide, par exemple de l'eau ou de préférence un hydrocarbure gras tel que de l'hexane, vaporisable sous haute pression à l'aide de moyens de chauffage, et une partie électrique servant à la fois de source d'énergie au moyens de chauffage et d'accumulation d'énergie électrique puis de restitution de cette dernière auxdits moyens de chauffage.
  • Plus concrètement, le moteur M comporte au moins une enceinte 10 de chauffage (ou chaudière) contenant un fluide F et renfermant un premier moyen 12 de chauffage destiné à porter ledit fluide F à l'état de vapeur. Le premier moyen 12 de chauffage comporte par exemple dans le cas présent une série de tubes parallèles entourés de résistances électriques à l'intérieur desquels circule le fluide F pour le chauffer ou le réchauffer de manière instantanée, ou bien une série de plaques de chauffage parallèles très rapprochées et entre lesquelles le fluide F circule pour y être chauffé ou réchauffé. Quel que soit sa structure, ce moyen 12 de chauffage est alimenté en énergie électrique par une batterie 120, par exemple 12 Volts.
  • L'enceinte 10 de chauffage (chaudière) communique en amont avec un réservoir 20 de fluide vaporisé, appelé réservoir de dépression ou caisson de dépression, à l'aide d'une première canalisation 30 permettant de transporter le fluide F du réservoir 20 de dépression/caisson de dépression vers ladite enceinte 10 de chauffage.
  • Le réservoir 20 de dépression comporte un second moyen 22 de chauffage électrique également reliés à la batterie 120 et produisant un maintien en température du fluide F entre environ 100° C et 120° C, de préférence à environ 110° C.
  • L'enceinte 10 de chauffage communique également, en aval, avec une enceinte 40 de motorisation à vapeur sous haute pression à l'aide d'une deuxième canalisation d'admission 50 permettant de transporter le fluide vaporisé de l'enceinte 10 de chauffage vers ladite enceinte 40 de motorisation.
  • La première canalisation d'admission 30 est reliée à un compresseur 90 d'un turbocompresseur interposé entre le réservoir 20 de dépression et l'enceinte 10 de chauffage pour augmenter la pression de la vapeur générée avant d'être réchauffée dans ladite enceinte de chauffage 10.
  • L'enceinte 40 de motorisation renferme au moins au moins un piston 60 double effet se déplaçant (flèches T1 et T2) de manière alternative et étanche. Ce piston 60 comporte une tige 62 et une tête 64 de part et d'autre de laquelle sont définies une première chambre C1 de compression et une seconde chambre C2 de compression. La première chambre C1 de compression est reliée d'une part à une première entrée 52 de fluide vaporisé communiquant avec la deuxième canalisation d'admission 50 et d'autre part à une première sortie 55 de fluide vaporisé. La seconde chambre C2 de compression est reliée quant à elle d'une part à une seconde entrée 54 de fluide vaporisé communiquant également avec la deuxième canalisation d'admission 50 et d'autre part à une seconde sortie 57 de fluide vaporisé.
  • La cylindrée de l'enceinte 40 de motorisation est comprise, par exemple pour une voiture standard, entre environ 1000 et 2000 cm3, de préférence entre environ 1200 et 1600 cm3.
  • Les sorties de fluide 55 et 57 se rejoignent dans une troisième canalisation commune d'échappement 70 qui aboutit dans le réservoir 20 de dépression à l'aide d'une quatrième canalisation 80.
  • La troisième canalisation d'échappement 70 est par ailleurs reliée à un compresseur 100 du turbocompresseur interposé entre l'enceinte 40 de motorisation et le réservoir 20 de dépression.
  • La première entrée 52 de fluide vaporisé est équipée d'une vanne étanche anti-retour 72, telle qu'un clapet, une soupape ou un tiroir, pilotée mécaniquement et/ou par un module de commande électronique et empêchant le retour du fluide vaporisé vers l'enceinte de chauffage 10.
  • De même, la seconde entrée 54 de fluide vaporisé est équipée d'une vanne étanche anti-retour 74, telle qu'un clapet, une soupape ou un tiroir, pilotée mécaniquement et/ou par un module de commande électronique et empêchant le retour du fluide vaporisé vers l'enceinte de chauffage 10.
  • Par ailleurs, la première sortie 55 de fluide est équipé d'une vanne étanche anti-retour 75, telle qu'un clapet, une soupape ou un tiroir, pilotée mécaniquement et/ou par un module de commande électronique et empêchant le retour du fluide vaporisé vers l'enceinte de motorisation 40.
  • De même, la seconde sortie 57 de fluide est équipé d'une vanne étanche anti-retour 77, telle qu'un clapet, une soupape ou un tiroir, pilotée mécaniquement et/ou par un module de commande électronique et empêchant le retour du fluide vaporisé vers l'enceinte 40 de motorisation.
  • La tige 61 du piston 60 est pour sa part relié à un ensemble 110 de bielles et de manivelles mettant en rotation un arbre moteur 114 grâce au mouvement linéaire alternatif dudit piston 60 et du mouvement rotatif de l'ensemble bielles/manivelles 110.
  • Ainsi, comme cela est visible, l'enceinte 10 de chauffage avec ses moyens 12 de chauffage internes, l'enceinte 40 de motorisation, le réservoir 20 de dépression avec ses moyens 22 de chauffage internes et les première, deuxième, troisième et quatrième canalisations 30, 50, 70 et 80 de transport de fluide vaporisé forment un circuit étanche fermé renfermant entre environ 20 et 30 dm3 de fluide F circulant en boucle. Du fait de ce circuit fermé et de l'étanchéité de ces enceintes et des diverses canalisations, aucune perte de fluide n'est possible.
  • La réalisation des pièces du moteur (carters des différentes enceintes, piston, canalisations, réservoir) peut être en métal non ferreux ou en matière synthétique puisque la température d'utilisation ne sera que de 100 à 150° C. Cependant, pour de plus hautes performances où la température peut dépasser les 200° C, le choix des matériaux aura une importance non négligeable, notamment pour réduire les pertes thermiques. Ce choix dépendra également de la pression de la vapeur, liées à cette température.
  • Une caractéristique faisant la particularité de l'invention consiste en ce que le premier moyen de chauffage 12 de l'enceinte 10 de chauffage est relié à une batterie d'alimentation 120. Cette batterie 120 est donc considérée comme source secondaire d'un point de vue du fonctionnement du moteur M car c'est la vapeur de fluide qui provoque le déplacement alternatif du piston 60 et la mise en rotation de l'arbre moteur 114, et non directement l'électricité produite.
  • L'arbre moteur 114 est par ailleurs relié à un alternateur 118 par l'intermédiaire par exemple d'une courroie 116. Cet alternateur 118 permet, lors de la rotation de l'arbre moteur 114, de recharger la batterie 120 en énergie électrique lors du fonctionnement du moteur M.
  • Le fonctionnement du moteur M conforme à la présente invention est le suivant.
  • Au démarrage, la quasi-totalité du fluide F se trouve dans l'enceinte 10 de chauffage (le réservoir 20 de dépression est vide ou quasiment vide), muni de son corps de chauffe 12 (tubes ou plaques). Le moteur (M) est au repos, le piston 60 étant dans une première position à l'intérieur des chambres C1 et C2 de l'enceinte 40 de motorisation, et les différentes valves 72, 74, 75 et 77 permettent l'admission de vapeur de fluide sous haute pression par l'une ou l'autre des entrées 52 ou 54.
  • Au premier contact ou impulsion électrique provenant de la batterie 120, le corps de chauffe 12 provoque une vapeur instantanée du fluide F dans l'enceinte 10 de chauffage, à la température et à la pression désirée.
  • Ces gaz obtenus sont envoyés, par les canalisations isothermes 50 puis 52 ou 54, dans l'enceinte 40 de motorisation renfermant le piston double effet 60.
  • Le piston 60, dans son mouvement de va-et-vient provoqué par la pression simultanée de la vapeur de part et d'autre de la tête 64 dans alternativement chacune des chambres C1 puis C2 (dont le volume change donc constamment, quand le volume de l'une augmente, le volume de l'autre diminue dans les mêmes proportions, et inversement), produit, par l'intermédiaire de l'ensemble bielles/manivelle, un mouvement rotatif de l'arbre moteur 114 (prise de force).
  • Les gaz chauds sont expulsés sous forte pression à chaque mouvement alternatif du piston 60 par les canalisations isotherme 55 et 57 qui se rejoignent dans la troisième canalisation 70 pour actionner la turbine 100 d'entrainement du turbocompresseur avant d'arriver dans le réservoir 20 de dépression où le fluide vaporisé F est conservé en dans un état gazeux à l'aide des résistances électriques 22. Une quantité défini des gaz contenu dans le réservoir 20 de dépression est aspirée par le compresseur 90 du turbocompresseur dont l'arbre de rotation présente un variateur de vitesse selon la pression désirée. Ces gaz sont alors envoyés sous pression, par l'intermédiaire de la première canalisation isotherme 30, dans l'enceinte 10 de chauffage contenant le corps de chauffe 12 pour être réchauffés à la température et à la pression désirées, avant d'être envoyés de nouveau dans l'enceinte 40 de motorisation pour agir sur le piston 60, et ainsi de suite, ce qui forme un circuit fermé étanche tournant en boucle.
  • Enfin, l'alternateur 118 est entraîné par la courroie 116 reliée à l'arbre moteur 114 pour recharger en permanence la batterie 120.
  • Après le démarrage du moteur M et la transformation du fluide en vapeur, le but de ce système est de conserver en permanence cette vapeur en la réchauffant plus ou moins par la chaudière à vapeur instantanée 10, typiquement à une température d'environ 100 à 120° .
  • Ce principe de fonctionnement n'émet aucune pollution puisqu'il fonctionne en cycle fermé. Bien entendu, la batterie 120 devra être chargée initialement et pourra être remplacée si besoin.
  • En ce qui concerne la batterie 120, celle-ci chauffe au départ une petite quantité de fluide F, mais dès que l'enceinte 40 de motorisation fonctionne, elle n'entretient plus que la température légèrement plus faible que celle dans le moteur M. Lors de son périple, la vapeur ne doit pas redevenir liquide, mais doit simplement légèrement refroidir dans le réservoir 20 de dépression avant d'être recompressée par le compresseur 90 du turbocompresseur. La batterie 120 n'est donc pas plus sollicitée que dans un moteur à essence où elle assure l'allumage.
  • Il est possible d'envisager un débrayage de l'arbre moteur 114 lorsque le véhicule est à l'arrêt (embouteillage, etc.) pour continuer la charge de la batterie 120.
  • Il doit être bien entendu que la description détaillée de l'objet de l'invention, donnée uniquement à titre d'illustration, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention.
  • Ainsi, le nombre d'enceintes de motorisation et/ou de pistons pourra être augmenté selon la puissance désirée, avec une batterie/alternateur communs ou pour chaque enceinte de motorisation.

Claims (15)

  1. Moteur (M) à vapeur comportant au moins :
    - une enceinte (10) de chauffage renfermant un premier moyen (12) de chauffage portant un fluide (F) à l'état de vapeur,
    - un caisson de dépression (20) de fluide vaporisé (F) relié en amont de l'enceinte (10) de chauffage par une première canalisation (30),
    - une deuxième canalisation d'admission (50) disposée en aval de l'enceinte (10) de chauffage et reliant cette dernière à une enceinte (40) de motorisation à vapeur sous haute pression à l'intérieur de laquelle se déplace, de manière alternative et étanche, au moins un piston à double effet (60) présentant une tige (62) et une tête (64) de part et d'autre de laquelle sont définies :
    * une première chambre de compression (C1) reliée à une première entrée (52) de fluide vaporisé communiquant avec la deuxième canalisation d'admission (50) et avec une première sortie (55) de fluide vaporisé, et
    * une seconde chambre de compression (C2) reliée à une seconde entrée (54) de fluide vaporisé communiquant également avec la deuxième canalisation d'admission (50) et avec une seconde sortie (57) de fluide vaporisé,
    - la tige (62) du piston (60) étant relié à un ensemble (110) bielles / manivelles mettant en rotation un arbre moteur (114) grâce au mouvement linéaire alternatif de ladite tige (62),
    - la deuxième canalisation d'admission (50) transportant le fluide vaporisé (F) de l'enceinte (10) de chauffage vers l'enceinte (40) de motorisation,
    - une troisième canalisation d'échappement (70) reliant les première et seconde sorties (55, 57) de fluide vaporisé et le caisson (20) de dépression, la troisième canalisation (70) transportant le fluide vaporisé issu des première et seconde sorties (55, 57) vers le caisson (20) de dépression,
    - le caisson(20) de dépression, l'enceinte (10) de chauffage, l'enceinte (40) de motorisation et les première (30), deuxième (50) et troisième (70) canalisations de transport de fluide vaporisé formant un circuit étanche fermé, et
    - le premier moyen de chauffage (12) est électrique et est relié à une batterie d'alimentation (120).
  2. Moteur (M) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième canalisation d'échappement (70) est reliée à une turbine (100) d'un turbocompresseur interposé entre l'enceinte (40) de motorisation et le réservoir (20) de dépression.
  3. Moteur (M) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la première canalisation d'admission (30) est reliée à un compresseur (90) d'un turbocompresseur interposé entre le réservoir (20) de dépression et l'enceinte (10) de chauffage pour augmenter la pression de la vapeur.
  4. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (20) de dépression comporte un second moyen (22) de chauffage électrique relié à la batterie (120) et produisant un maintien en température du fluide entre environ 100° C et 120° C, de préférence à environ 110° C.
  5. Moteur (M) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second moyen de chauffage (22) comporte une série de plaques de chauffage parallèles très rapprochées et entre lesquelles le fluide circule pour y être réchauffé.
  6. Moteur (M) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second moyen de chauffage (22) comporte une série de tubes parallèles entourés de résistances électriques et à l'intérieur desquels le fluide circule pour y être réchauffé.
  7. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque entrée (52 ; 54) est équipée d'une vanne étanche anti-retour (72 ; 74), telle qu'un clapet, une soupape ou un tiroir, pilotée mécaniquement et/ou par un module de commande électronique et empêchant le retour du fluide vaporisé vers l'enceinte (10) de chauffage.
  8. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque sortie (55 ; 57) est équipée d'une vanne étanche anti-retour (75 ; 77), telle qu'un clapet, une soupape ou un tiroir, pilotée mécaniquement et/ou par un module de commande électronique et empêchant le retour du fluide vaporisé vers l'enceinte (40) de motorisation.
  9. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre moteur (114) est relié à un alternateur (118) rechargeant la batterie (120) lors de sa rotation.
  10. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier moyen de chauffage (12) comporte une série de tubes parallèles entourés de résistances électriques et à l'intérieur desquels le fluide circule pour y être réchauffé.
  11. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier moyen de chauffage (12) comporte une série de plaques de chauffage parallèles très rapprochées et à l'intérieur desquelles le fluide circule pour y être réchauffé.
  12. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide est un hydrocarbure gras, par exemple de l'hexane.
  13. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte entre environ 20 et 30 dm3 de fluide (F).
  14. Moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cylindrée de l'enceinte (40) de motorisation est comprise entre environ 1000 et 2000 cm3, de préférence entre environ 1200 et 1600 cm3.
  15. Véhicule de tourisme tel qu'une voiture, équipé d'un moteur (M) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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