FR2741909A1 - Moteur thermique a haut rendement utilisant un stockage elastique d'energie - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif mécanique visant à stocker rapidement l'énergie dégagée par la combustion du mélange air-essence sous forme d'énergie potentielle de déformation élastique, et à la restituer au vilebrequin au rythme de sa rotation. L'élément élastique (2) -ressort ou gaz comprimé- est comprimé par un élément mobile (1) poussé par les gaz de combustion, et peut être inséré n'importe où dans la chaîne cinématique: dans la chambre de combustion (6), dans le piston (4), dans la bielle (10) ou dans le vilebrequin (3). Ce dispositif permet de détendre rapidement les gaz sous pression contenus dans la chambre de combustion après l'explosion, limitant ainsi les échanges thermiques avec l'extérieur à travers la culasse ou la bielle, ce qui conduit à une augmentation du rendement. L'invention peut être utilisée dans tous les moteurs à essence afin de réduire leur consommation de carburant, à puissance constante.

Description

DESCRIPTIF TECHNIQUE
La présente invention concerne les dispositifs permettant d'accroître le rendement des moteurs à explosion fonctionnant selon le cycle théorique de
Beau de Rochas.

D'une façon plus précise, elle se rapporte aux dispositifs permettant de limiter les pertes d'énergie par conduction thermique, qui font s'écarter le cycle réel du moteur à explosion du cycle théorique à deux adiabatiques, aux dépens du rendement.

II est reconnu que la principale origine du plus faible rendement du moteur à essence par rapport à celui du moteur diesel provient du caractère nonadiabatique des phases de compression et de détente des gaz au cours du cycle. L'origine en est dans les pertes par conduction thermique dans la culasse et à travers la bielle, au moment où le plasma est comprimé et vient d'exploser.

L'inertie de la bielle l'empêche alors de s'effacer rapidement devant le gaz en expansion. L'énergie thermique du plasma ne pouvant être dissipée mécaniquement, cette énergie est dégradée en chaleur en élevant la température de la culasse et de l'embiellage. Lorsque le gaz commence vraiment son expansion, et donc lorsqu'il commence vraiment à pousser le piston, il est déjà assez froid. Finalement, on peut dire que les constantes de temps thermiques de l'explosion d'un mélange carburant-comburant sont bien trop courtes par rapport aux constantes de temps mécaniques de l'embiellage.

Tout le problème tient au fait qu'un vilebrequin tourne à vitesse de rotation constante, donc consomme une puissance constante, alors que l'énergie lui est apportée par crête. Le problème qui se pose ici est donc un problème général de lissage de puissance crête pour en faire une puissance moyenne régulière.

II n'est pas inutile de chercher à améliorer le moteur à essence car il aura toujours sur le moteur diesel certains avantages importants, comme l'absence de l'émission de gaz imbrûlés nocifs, la légèreté, et la possibilité qu'il a de brûler du gaz naturel.

Dans cette optique, des types de moteurs à pistons dits libres ont été inventés, comme ceux des frères Jarret, visant à réduire l'inertie mécanique de la bielle. II s'agissait en fait de moteurs à combustion interne n'entraînant pas un vilebrequin mais comprimant un gaz ou induisant un courant électrique. Ni l'un ni l'autre ne peuvent rivaliser avec un moteur à entraînement mécanique -en coût, en simplicité mécanique et en encombrement. C'est la raison pour laquelle ces innovations techniques n'ont connu que des application très spécialisées, et n'ont notamment pas eu de suite dans l'industrie automobile.

Une autre voie a été expérimentée, visant celle-ci à limiter les pertes par conduction en utilisant des matériaux très réfractaires. Leurs coûts et leurs difficultés de mise en oeuvre n'ont cependant pas conduit à des réalisations pratiques en-dehors de quelques prototypes équipant des véhicules laboratoires.

Le dispositif suivant l'invention évite les inconvénients des solutions déjà avancées puisqu'il ne nécessite pas le recours à des matériaux nouveaux, et ne renonce pas au système traditionnel bielle-vilebrequin.

L'invention concerne un dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air-essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer au rythme de la rotation du vilebrequin, caractérisé en ce qu'il comporte:
un élément mobile (i) à faible inertie, pouvant être mis en mouvement rapidement par les gaz sous pression contenus à l'intérieur du cylindre après l'explosion,
un élément élastique (2) connecté à la fois à l'élément mobile (1) et aux éléments de la chaîne cinématique se déplaçant à vitesse constante, ou dont les accélérations sont nécessairement faibles étant données les inerties à vaincre, capable d'emmagasiner avec la plus faible élévation de température possible une fraction importante de l'énergie libérée par l'explosion du mélange airessence, et de la restituer quasiment intégralement à la charge entraînée au rythme de la rotation du vilebrequin (3).

Suivant une autre caractéristique, L'élément mobile (1) est constitué d'un piston coulissant à l'intérieur du piston (4) de compression, se déplaçant coaxialement à ce dernier, et placé à son extrémité, c'est-à-dire au contact des gaz enfermés dans la chambre de combustion (6), muni en outre de moyens de guidage en translation (7) et de butées (8) limitant sa course par rapport au piston (4), ainsi que de moyens d'étanchéité (5) convenables empêchant la communication des gaz de combustion entre le cylindre et l'intérieur de l'espace ménagé entre le piston (1) et le corps du piston (4), tels que par exemple des segments d'arrêt.

Suivant une autre caractéristique, L'élément élastique (2) est un ressort travaillant à la compression, dont une extrémité est fixée au piston de compression (4) et l'autre extrémité au piston mobile (1).

Suivant une autre caractéristique, L'élément élastique (2) est un volume de gaz comprimé, tel que par exemple de l'air, enfermé dans l'espace limité par les parois creuses du piston de compression (4) et le piston mobile (1), et caractérisé en outre en ce que les moyens d'étanchéité (5) empêchent à la fois les gaz de combustion de pénétrer dans ce volume de gaz utilisé comme ressort, et les gaz comprimés de s'échapper vers la chambre de combustion (6).

Suivant une autre caractéristique, le volume de gaz comprimé faisant office d'élément élastique (2) est limité par le fond du cylindre de compression (4).

Suivant une autre caractéristique . le fond du piston (4) est muni d'un joint tournant permettant de faire circuler -à travers une lumière ménagée dans l'axe creux (9)- le gaz jouant le rôle d'élément élastique (2) jusque dans l'axe creux (9) reliant le piston (4) à la bielle (10), Ie corps de bielle (10) est creux et communique avec l'axe creux (9) au moyen de joints tournants, . une goulotte est usinée dans la tête de bielle afin de permettre au gaz de compression de communiquer -à travers une lumière ménagée dans le maneton (11)- avec l'axe, lui-même creux, du vilebrequin (3),
et caractérisé en outre en ce qu'un réservoir de gaz comprimé (12) communique avec l'axe creux du vilebrequin afin de permettre par tous moyens convenables de contrôler la pression du gaz utilisé comme élément élastique.

Suivant une autre caractéristique, L'élément mobile (1) est constitué par le piston de compression (4) lui-même, et en ce que l'élément élastique (2) est inclus à l'intérieur du corps de bielle (10), constitué par exemple d'un ressort mécanique.

Suivant une autre caractéristique, L'élément mobile (1) est constitué du piston traditionnel (4) et du corps de bielle (10) non modifié, alors que la tête de bielle est agrandie afin d'accueillir un coussinet élastique (12) de forte épaisseur, jouant le rôle d'élément élastique.

Suivant une autre caractéristique, L'élément mobile (1) est disposé au fond de la chambre de combustion, coulisse à l'intérieur de la culasse (13), permettant la détente des gaz de combustion, et est avantageusement constitué par un piston (14), muni en outre de moyens de guidage en translation (7) et de butées (8) limitant sa course par rapport au piston (4), ainsi que de moyens d'étanchéité (5) convenables empêchant la communication des gaz de combustion entre le cylindre et l'intérieur de l'espace ménagé entre le piston et le fond de la culasse, caractérisé en outre en ce que l'élément élastique (2) est disposé entre ce piston et le fond de la culasse (13), et caractérisé enfin en ce que la chambre de combustion est aménagée afin que les soupapes ne gênent pas le déplacement du piston.

Suivant une autre caractéristique, L'élément élastique (2) est un ressort travaillant à la compression, dont une extrémité est fixée au piston (14) et dont l'autre extrémité est accrochée au fond de la culasse (13).

Suivant une autre caractéristique, L'élément élastique (2) est un volume de gaz comprimé, tel que par exemple de l'air, enfermé dans l'espace limité par les parois creuses de la culasse (13) et le piston mobile (14), et caractérisé en outre en ce que les moyens d'étanchéité (5) empêchent à la fois les gaz de combustion de pénétrer dans ce volume de gaz utilisé comme ressort, et les gaz comprimés de s'échapper vers la chambre de combustion (6).

Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés dans lesquels . la figure 1 de la planche 1 représente une vue de principe en coupe du
dispositif suivant l'invention, dans laquelle (1) représente l'élément mobile, (2)
représente l'élément élastique, et (3) représente le vilebrequin.

. la figure 2 de la planche 1 représente une vue en coupe du dispositif dans
laquelle l'élément mobile est constitué par un piston mobile (1), et dans
laquelle (5) représente des moyens d'étanchéité, (6) la chambre de
combustion, (7) des moyens de guidage du piston, (8) des moyens d'arrêt du
piston mobile (1), et (4). le piston de compression.

. la figure 3 de la planche 2 représente une vue en coupe du dispositif dans
laquelle l'élément mobile est constitué par un piston mobile (1), et dans
laquelle (5) représente des moyens d'étanchéité, (6) la chambre de
combustion, (7) des moyens de guidage du piston, (8) des moyens d'arrêt du
piston mobile (1), (4) le piston de compression et (2) un ressort travaillant à la
compression.

Ia figure 4 de la planche 2 représente une vue en coupe du dispositif dans
laquelle l'élément mobile est constitué par un piston mobile (1), et dans
laquelle (5) représente des moyens d'étanchéité, (6) la chambre de
combustion, (7) des moyens de guidage du piston, (8) des moyens d'arrêt du
piston mobile (1), (4) le piston de compression et (2) un volume de gaz
comprimé.

Ia figure 5 de la planche 3 représente une vue en coupe du dispositif dans
laquelle l'élément mobile est constitué par un piston mobile (1), et dans
laquelle (5) représente des moyens d'étanchéité, (6) la chambre de
combustion, (7) des moyens de guidage du piston, (8) des moyens d'arrêt du
piston mobile (1), (4) le piston de compression dont le fond est plein,
empêchant le gaz sous pression de s'échapper, et (2) un volume de gaz
comprimé.

Ia figure 6 de la planche 3 représente une vue en coupe du dispositif dans
laquelle l'élément mobile est constitué par un piston mobile (1), et dans
laquelle (5) représente des moyens d'étanchéité, (6) la chambre de
combustion, (7) des moyens de guidage du piston, (8) des moyens d'arrêt du
piston mobile (1), (4) le piston de compression, (9) I'axe creux du piston, (10)
le corps de bielle creux, (11) le maneton du vilebrequin, creux lui aussi, (12)
un réservoir de gaz sous pression communiquant avec l'axe creux du
vilebrequin, et (2) un volume de gaz comprime.

Ia figure 7 de la planche 4 représente une vue en coupe du vilebrequin dans
laquelle (3) représente le vilebrequin, (10) représente le corps de bielle, (11)
le maneton et (14) un coussinet élastique.

Ia figure 8 de la planche 5 représente une vue en coupe du dispositif dans
lequel (2) représente un ressort travaillant à la compression, (4) le piston de
compression, (5) des éléments d'étanchéité, (6) la chambre de combustion, (7)
des éléments de guidage, (8) des éléments d'arrêt, (10) le corps de bielle,
(13) le fond de la culasse, et (14) le piston mobile.

Ia figure 9 de la planche 5 représente une vue en coupe du dispositif dans
lequel (2) représente un gaz comprimé, (4) le piston de compression, (5) des
éléments d'étanchéité, (6) la chambre de combustion, (7) des éléments de
guidage, (8) des éléments d'arrêt, (10) le corps de bielle, (13) le fond de la
culasse, et (14) le piston mobile.

Ces figures sont données à titre purement indicatif, et n'enlèvent rien à la généralité de l'invention.

Le cycle du moteur à explosion est bien connu, puisque le brevet de Beau de
Rochas remonte à 1862. Rappelons qu'il comporte les étapes suivantes 1. une isobare correspondant à l'aspiration du gaz dans le cylindre depuis la
pression atmosphérique, clapets d'admission ouverts, 2. une adiabatique correspondant à la compression de ce gaz jusqu'à réduire le
volume du cylindre au minimum ( point mort haut du piston ), 3. une isochore correspondant à l'explosion du gaz, s'accompagnant d'une très
forte augmentation de la température et du volume, 4. une adiabatique correspondant à la détente du gaz brûlé, 5. une isochore correspondant à l'évacuation des gaz à la pression
atmosphérique par ouverture d'un clapet d'échappement ( point mort bas ), 6. une isobare vidant le cylindre, clapets d'échappement ouverts.

Le rendement théorique P de ce cycle est bien entendu inférieur au rendement théorique du cycle de Carnot. II ne dépend que du rapport volumétrique p, encore appelé taux de compression
1
P'
Pour un rapport volumétrique de 8, le rendement atteint par exemple 46%.

14 ans après que Beau de Rochas ait déposé le brevet de ce moteur à combustion interne, Otto fit fonctionner le premier moteur selon ce principe. Le rendement qu'il obtint, et de façon générale le rendement des moteurs modernes, n'atteint jamais ces valeurs extrêmement élevées. Ainsi, le rendement généralement approché ne dépasse pas 30 à 35%. La raison en est principalement dans les échanges thermiques qui ont lieu entre le gaz et le bloc moteur ou la culasse. Les pressions réelles à l'intérieur de la chambre de combustion sont ainsi légèrement inférieures à la loi adiabatique.Cette conduction thermique qui écarte la loi de compression ou de détente de l'adiabatique pure se produit à deux reprises e une première fois lors de la compression : les gaz froids en compression sont
d'abord réchauffés par les parois chaudes du cylindre, puis à mesure que
leur température s'élève, ce sont eux qui cèdent de la chaleur au bloc, . une deuxième fois lors de la détente, les gaz chauds cèdent une partie
importante de leur chaleur au bloc et à la culasse, empêchant la pression de
monter à la valeur prévue par la loi adiabatique.

Cette deuxième perte thermique notamment est importante, puisque les gaz sont alors très chauds ( > 2300 K), et que la conduction, proportionnelle à la différence de température entre les deux sources qui échangent, est par conséquent elle aussi très élevée.

Deux voies ont été largement explorées dans le but de réduire ces phénomènes de conduction. La première consiste à mieux isoler le cylindre afin que le flux thermique qui s'échappe du gaz soit réduit. Elle a conduit à l'expérimentation de matériaux originaux tels que les céramiques. En raison du coût et des difficultés de mise en oeuvre de ces matériaux, aucune application concrète dans les véhicules individuels n'en a été faite. Une deuxième voie consiste à empêcher l'échange thermique, en détendant les gaz plus rapidement que l'effacement du cylindre ne leur permet au rythme de la rotation du vilebrequin. En effet, s'il était possible d'accroître de façon importante le volume du cylindre juste après l'explosion, on pourrait détendre rapidement le gaz avant que les échanges thermiques n'aient eu le temps de dégrader considérablement l'énergie disponible dans le gaz. C'est cette voie qui est explorée ici et qui est à l'origine de l'invention.

La seule observation du cycle réel, que nous appellerons cycle d'Otto, ne permet pas de se rendre compte de la cinétique du cycle. Lorsque le piston parvient à sa position de point mort bas, au moment où se produit l'explosion, sa vitesse est nulle

pour a = 180 , en appelant o > la vitesse angulaire du vilebrequin, I la course du piston, X la longueur de la bielle rapportée à la course du piston et a l'angle de rotation du vilebrequin (180 pour le point mort bas).Les gaz se trouvent ainsi dans la situation la plus défavorable où ils se trouvent longuement au contact des parois froides de la culasse et du piston, perdant ainsi une quantité importante de leur chaleur par conduction vers le milieu extérieur, avant que le piston n'accélère lentement sa course vers le point mort haut, selon une loi sinusoïdale.

Bien entendu, I'explosion du gaz accélère ce mouvement, mais elle doit combattre l'inertie de la bielle et du vilebrequin, ainsi que le couple résistant de la charge entraînée par ce dernier. Une explosion qui se produirait alors que le piston est animé d'une grande vitesse résoudrait le problème, mais ne permettrait assurément pas une compression du gaz. L'idée que le gaz doive se détendre aussi vite que possible afin de convertir rapidement son énergie thermique n'est en fait pas incompatible avec le cycle traditionnel du moteur à 4 temps si l'on utilise un dispositif de type bielle élastique qui fait l'objet de l'invention.

Le principe en est le suivant : la bielle porte un piston secondaire, coaxial au déplacement de la bielle, apte à se comprimer rapidement afin de détendre aussi adiabatiquement que possible les gaz après leur explosion, alors que le piston est encore extrêmement proche de son point mort bas. L'énergie thermique du gaz est ainsi entièrement convertie en énergie potentielle, cédée progressivement à la bielle au rythme de son mouvement vers le point mort haut.

On réalise ainsi un stockage momentané d'énergie. Le résultat est en quelque sorte la conversion d'une puissance crête en puissance moyenne : L'origine de l'énergie est essentiellement crête (explosion ultra-rapide), alors que sa consommation est essentiellement moyenne (accélération progressive du mouvement de la charge entraînée). Le problème de la génération de puissance crête est d'ailleurs la principale source de différence entre les rendements des moteurs à essence et ceux des moteurs diesels dans ces derniers, la propagation de l'onde de combustion n'est pas explosive, mais a lieu à peu près à la vitesse du recul du piston. Son cycle est donc plus adiabatique que celui du moteur à essence.

Différents moyens techniques existent qui permettent de parvenir à ce résultat.

Le premier consiste à stocker momentanément l'énergie thermique en énergie potentielle de déformcition élastique. Celle d'un ressort par exemple.

Mécaniquement, le dispositif comporte un piston secondaire (1), coulissant à l'intérieur du piston principal (4) relié à la bielle (10). Une ressort de forte raideur (2) est disposé entre les deux pistons, de telle sorte qu'il travaille à la compression lorsque les deux pistons se rapprochent. Enfin, une tige (7) se terminant par une bague d'arrêt (8) est disposée à l'intérieur du ressort (2) afin d'empêcher le piston secondaire (1) de se détacher du piston principal (4). Le reste des parties mobiles est peu transformé, simplement le corps de la bielle (10) est-elle un peu plus courte afin de permettre de rallonger la jupe du piston (4) dans laquelle est logé le piston secondaire (1).

Calculons quelle devrait être la raideur du ressort permettant de stocker l'intégralité de l'énergie thermique dégagée par l'explosion. La chute de rendement des moteurs à essence imputable au défaut d'adiabaticité de la compression et de la détente des gaz est évaluée à 10%. Considérons donc à titre d'exemple un moteur à essence à 4 cylindres de 2000 cc tournant à 4000 t/min et produisant une puissance 100 kW (136 ch). Son rendement vaut 30%.

Les 10% d'énergie perdue valent 11,1 kW. L'énergie totale disponible pour l'expansion des gaz est donc de 111,1 kW, ce qui fait 111,1 kJ par seconde.

L'énergie perdue par piston vaut donc 27,8 kW. Or, en une seconde, le vilebrequin fait 66,6 tours, ce qui correspond à 33,3 compressions. L'énergie perdue à chaque détente vaut donc 834 J.

Un ressort de raideur k est capable d'emmagasiner une énergie proportionnelle à son élongation x
E 1 k 2
2
Chaque cylindre fait 500 cc. Admettons qu'ils sont carrés. Leur volume est donc donné par:

Nous trouvons x = 8,6 cm. Admettons aussi que la course réelle du ressort, compte-tenu de l'encombrement des butées, vaille 6 cm. On a donc
1200.2 -6610 N/m 0,062 -
Cette valeur de la raideur est très élevée, même pour des ressorts d'un diamètre de 6 à 7 cm que permettrait d'utiliser la taille du piston considéré. Des valeurs de raideur 5 à 6 fois plus faibles sont réalistes pour ce type de course et dans ces diamètres. Cette technique n'est donc utilisable en pratique que pour limiter assez faiblement les pertes par conduction.

Sa mise en oeuvre pratique, en revanche, est assez facile puisque, en dehors du piston et du corps de bielle, les éléments mécaniques du moteur ne sont pas touchés. II ne nécessite en outre pas l'adjonction d'éléments actifs.

Une autre solution consiste à utiliser le principe du ressort à gaz, encaissant brutalement l'énergie thermique des gaz de combustion et la stockant sous forme d'énergie potentielle, avant de la restituer progressivement au vilebrequin, au rythme de sa rotation. Techniquement, cette solution consiste à utiliser un deuxième piston (1), coaxial au premier et dans lequel il est libre de coulisser, guidé par un axe central (7) muni d'une bague d'arrêt (8) empêchant le piston secondaire (1) de s'échapper. L'espace compris entre les deux pistons est rempli d'un gaz (2) dont on empêche les fuites vers la chambre de compression ou vers l'extérieur du cylindre au moyen de joints appropriés (5) très semblables aux segments d'arrêt traditionnels du piston.En outre, une variante existe dans laquelle le volume comprimé ne se limite pas à l'espace ménagé entre les deux pistons, mais s'étend aussi au volume compris dans l'axe creux du piston, I'axe creux du corps de bielle (10), et un espace plus ou moins important contenu dans le vilebrequin (3) -creux lui aussi- et un réservoir de gaz comprimé (12). Des joints tournants sont utilisés entre tous ces éléments afin de permettre la circulation du gaz avec le minimum de fuites.

La seconde solution permet ou bien de contrôler la pression initiale du gaz dans le piston secondaire, ou bien d'exploiter la compression d'un volume de gaz beaucoup plus grand que celui simplement délimité entre les deux pistons, ce qui n'est pas sans importance dans l'objectif d'augmenter le rendement. En effet, si l'adjonction d'un ressort à gaz à l'intérieur du piston se limitait à comprimer rapidement un gaz dont la pression serait initialement la pression atmosphérique, et dont le volume serait identique à celui de la chambre de compression, on réaliserait simplement un échange adiabatique d'énergie entre deux capacités, pour se retrouver dans la situation où le volume comprimé serait à une température quasiment identique à celle de la chambre de compression au moment de l'explosion. Ce volume subirait donc à son tour de graves pertes par conduction, et le problème resterait entier.

L'objectif de l'invention est donc de stocker intégralement l'énergie d'explosion en comprimant un gaz dont la température finale resterait bien plus basse que la température de l'explosion. Ceci ne peut être obtenu qu'avec un taux de compression du gaz plus faible que le taux de compression du gaz explosif contenu dans le cylindre : AV/V doit rester faible. Ceci peut être obtenu de deux façons : soit en comprimant un important volume de gaz initialement à la pression atmosphérique, soit en comprimant un volume assez faible de gaz initialement sous pression. Le recours à une bielle et à un vilebrequin creux permet de mettre en oeuvre ces deux options.

Calculons quelle est l'élévation de température du gaz contenu dans le cylindre secondaire, dans l'hypothèse d'une compression adiabatique réversible, et vérifions que sous une certaine pression initiale, ou pour un certain volume initial, cette température finale reste très inférieure à la température du mélange combustible au moment de l'explosion.

Le travail reçu par le gaz lors de sa compression vaut

D'autre part, la transformation adiabatique réversible est régie par l'équation
Pvf = cste = A
L'expression du travail cédé au gaz devient donc, après intégration et simplification

Calculons l'expression du volume final en fonction de l'énergie absorbée et des conditions initiales du gaz

Imaginons que le volume comprimé dans le piston secondaire vaut 1000 cc, et que sa pression initiale vaut 10 bars. Pour un cas de figure identique au précédent (énergie absorbée de 834 J), I'application numérique donne v2 = 480 cc.

Un volume initial de 2000 cc aurait amené à un volume final, une fois comprimé, de 1360 cc.

Calculons l'élévation de température provoquée par cette compression. Dans l'hypothèse où ce gaz se comporte comme un gaz parfait (ce qui n'est pas une hypothèse aventureuse pour un calcul qui tend à faire ressortir des ordres de grandeur), I'équation d'état donne
pv = cste = B
T
D'où l'expression de la température après compression

Pour une température initiale de 40 C (313 K), un volume initial de 1000 cc et une volume final de 480 cc, on a ainsi
T2 = 420 K = 147 C
A cette température, les échanges thermiques sont beaucoup plus faibles qu'aux 2000 "C correspondants à l'explosion du mélange dans le cylindre.Le flux traversant la paroi de la culasse et remontant à travers le corps de bielle vaut

En appelant X une conductivité thermique tenant compte des diverses conductivités thermiques des différents solides au travers desquels la chaleur se propage. Toutes choses étant égales par ailleurs, on constate que le flux thermique qui s'évade est directement proportionnel à la différence de température entre les gaz et l'extérieur du moteur. Elle vaut près de 1900"C au moment de l'explosion. On la ramène, avec le dispositif suivant l'invention, à 47 C, ce qui conduit à diviser le flux thermique par 40
Un volume comprimé plus faible aurait conduit à des performances moins élevées, mais toutefois plus faciles à mettre en oeuvre car ne nécessitant pas nécessairement l'usage de bielles et vilebrequins creux.Ainsi, pour un volume initial de 500 cc et une pression initiale de 3 bars, la température en fin de compression vaudrait 736 "C, soit un gain de 3 sur les pertes, ce qui est déjà un bon résultat.

L'emploi d'un ressort ou d'un volume de gaz compressible sont deux des solutions techniques utilisables pour augmenter le rendement du moteur à essence en agissant sur les pertes thermiques. Leur disposition dans les éléments mécaniques du moteur peut être réalisée selon le principe décrit ci-dessus, dans le piston ou dans le corps de bielle, mais elle peut aussi être réalisée en modifiant la culasse.

Dans la variante utilisant un piston à ressort, on modifie la culasse (13) afin de la rendre mobile, laissant à une de ses parois (14) la possibilité de s'effacer devant les gaz en expansion. Ceci est réalisé en montant une de ses parois (14), préférentiellement celle qui est dans l'axe de la bielle (10), sur un ressort (2) travaillant à la compression. Cette paroi mobile, que l'on peut assimiler à un piston, est guidée et éventuellement retenue à la culasse au moyen d'une tige (7) éventuellement munie d'une bague d'arrêt (8). Des moyens d'étanchéité convenables (5) sont montés sur la partie mobile de la culasse afin que les gaz de combustion ne s'échappent pas du cylindre à travers ce piston.

Dans la variante utilisant la compressibilité d'un gaz, la culasse est modifiée afin qu'une de ses parois (14) puisse s'effacer devant les gaz de combustion, venant comprimer un réservoir de gaz sous pression. Cette paroi mobile (14), que l'on peut assimiler à un piston, est guidée et éventuellement retenue à la culasse au moyen d'une tige (7) éventuellement munie d'une bague d'arrêt (8).

Des moyens convenables d'étanchéité (5) sont montés sur ce piston afin que ni les gaz de combustion ne s'échappent du cylindre vers le piston, ni le gaz servant d'amortisseur ne s'échappent de son piston en direction du cylindre.

En outre, et pour les deux options, il peut être nécessaire de déplacer les soupapes afin de ne pas traverser la paroi montée sur piston, ou bien afin de ne pas gêner son déplacement.

Enfin, une dernière option est possible pour mettre en oeuvre l'invention, utilisant la liaison bielle-maneton elle-même comme ressort apte à stocker momentanément l'énergie. Dans cette variante, le piston (4), la culasse (13) et le corps de bielle (10) ne sont pas transformés. Seule la tête de bielle est modifiée
les coussinets (15) qui la relient au maneton (11) du vilebrequin (3) sont déformables, et jouent le rôle d'élément élastique encaissant la détente des gaz de combustion. Ce montage est moins efficace, car avant de déformer le ressort, la bielle doit être mise en mouvement par les gaz. L'inertie du piston et de la bielle doit donc être vaincue. Cependant, I'essentiel des masses à accélérer (le vilebrequin et la masse entraînée) sont isolées de la source de puissance (les gaz) par le ressort, ce qui enlève peu à l'efficacité du dispositif.

En revanche, ce dernier bénéficie d'une grande facilité de mise en oeuvre par rapport aux autre variantes.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin, caractérisé en ce qu'il comporte

un élément mobile (1) à faible inertie, pouvant être mis en

mouvement rapidement par les gaz sous pression contenus à

l'intérieur du cylindre après l'explosion,

un élément élastique (2) connecté à la fois à l'élément mobile (1) et

aux éléments de la chaîne cinématique se déplaçant à vitesse

constante, ou dont les accélérations sont nécessairement faibles

étant données les inerties à vaincre, capable d'emmagasiner avec la

plus faible élévation de température possible une fraction importante

de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air-essence, et de la

restituer quasiment intégralement à la charge entraînée au rythme de

la rotation du vilebrequin (3).

2. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant la revendication 1

caractérisé en ce que l'élément mobile (1) est constitué d'un piston

coulissant à l'intérieur du piston (4) de compression, se déplaçant

coaxialement à ce dernier, et placé à son extrémité, c'est-à-dire au contact

des gaz enfermés dans la chambre de combustion (6), muni en outre de

moyens de guidage en translation (7) et de butées (8) limitant sa course

par rapport au piston (4), ainsi que de moyens d'étanchéité (5)

convenables empêchant la communication des gaz de combustion entre le

cylindre et l'intérieur de l'espace ménagé entre le piston (1) et le corps du

piston (4), tels que par exemple des segments d'arrêt.

3. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant les revendications 1 et 2

caractérisé en ce que l'élément élastique (2) est un ressort travaillant à la

compression, dont une extrémité est fixée au piston de compression (4) et

l'autre extrémité au piston mobile (1).

4. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant les revendications 1 et 2

caractérisé en ce que l'élément élastique (2) est un volume de gaz

comprimé, tel que par exemple de l'air, enfermé dans l'espace limité par

les parois creuses du piston de compression (4) et le piston mobile (1), et

caractérisé en outre en ce que les moyens d'étanchéité (5) empêchent à la

fois les gaz de combustion de pénétrer dans ce volume de gaz utilisé

comme ressort, et les gaz comprimés de s'échapper vers la chambre de

combustion (6).

5. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant les revendications 1, 2 et 4

caractérisé en ce que le volume de gaz comprimé faisant office d'élément

élastique (2) est limité par le fond du cylindre de compression (4).

6. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant les revendications 1, 2 et 4

caractérisé en ce que

le fond du piston (4) est muni d'un joint tournant permettant de faire

circuler -b travers une lumière ménagée dans l'axe creux (9)- le gaz

jouant le rôle d'élément élastique (2) jusque dans l'axe creux (9)

reliant le piston (4) à la bielle (10),

Ie corps de bielle (10) est creux et communique avec l'axe creux (9)

au moyen de joints tournants,

une goulotte est usinée dans la tête de bielle afin de permettre au

gaz de compression de communiquer -b travers une lumière

ménagée dans le maneton (11)- avec l'axe, lui-même creux, du

vilebrequin (3),

et caractérisé en outre en ce qu'un réservoir de gaz comprimé (12)

communique avec l'axe creux du vilebrequin afin de permettre par tous

moyens convenables de contrôler la pression du gaz utilisé comme élément

élastique.

7. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant la revendication 1

caractérisé en ce que l'élément mobile (1) est constitué par le piston de

compression (4) lui-même, et en ce que l'élément élastique (2) est inclus à

l'intérieur du corps de bielle (10), constitué par exemple d'un ressort

mécanique.

8. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant la revendication 1

caractérisé en ce que l'élément mobile (1) est constitué du piston

traditionnel (4) et du corps de bielle (10) non modifié, et en ce que la tête

de bielle est agrandie afin d'accueillir un coussinet élastique (12) de forte

épaisseur, jouant le rôle d'élément élastique.

9. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant la revendication 1

caractérisé en ce que l'élément mobile (1) est disposé au fond de la

chambre de combustion, coulisse à l'intérieur de la culasse (13), permettant

la détente des gaz de combustion, et est avantageusement constitué par un

piston (14), muni en outre de moyens de guidage en translation (7) et de

butées (8) limitant sa course, ainsi que de moyens d'étanchéité (5)

convenables empêchant la communication des gaz de combustion entre le

cylindre et l'intérieur de l'espace ménagé entre le piston et le fond de la

culasse, caractérisé en outre en ce que l'élément élastique (2) est disposé

entre ce piston et le fond de la culasse (13), et caractérisé enfin en ce que

la chambre de combustion est aménagée afin que les soupapes ne gênent

pas le déplacement du piston.

10. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant les revendications 1 et 9

caractérisé en ce que l'élément élastique (2) est un ressort travaillant à la

compression, dont une extrémité est fixée au piston (14) et dont l'autre

extrémité est accrochée au fond de la culasse (13).

11. Dispositif de stockage de l'énergie libérée par l'explosion du mélange air

essence dans le cylindre d'un moteur à explosion et capable de la restituer

au rythme de la rotation du vilebrequin suivant les revendications 1 et 9

caractérisé en ce que l'élément élastique (2) est un volume de gaz

comprimé, tel que par exemple de l'air, enfermé dans l'espace limité par

les parois creuses de la culasse (13) et le piston mobile (14), et caractérisé

en outre en ce que les moyens d'étanchéité (5) empêchent à la fois les gaz

de combustion de pénétrer dans ce volume de gaz utilisé comme ressort, et

les gaz comprimés de s'échapper vers la chambre de combustion (6).