FR2963642A1

FR2963642A1 - Moteur a combustion interne ou externe a cycle combine ou a chaleur perdue recyclee et mecanisme thermique

Info

Publication number: FR2963642A1
Application number: FR1003293A
Authority: FR
Inventors: Jean Francois Chiandetti
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-10

Abstract

L'amélioration des cycles moteurs apportée par l'invention tient au cycle triangulaire, à la combinaison d'un cycle natif au cycle triangulaire/trapézoïdal qui transforme en couple la chaleur résiduelle du cycle natif, à la stratégie de perte thermique recyclée qui, associée à une combustion prolongée, offre un net accroissement du rendement moteur. Le moteur comprend un cylindre 6 muni d'un échangeur thermique 7. Le flux 16a admis est compressé en isotherme puis expulsé il traverse l'échangeur 9 où il est préchauffé avant d'être admis en détente adiabatique. Là le combustible est injecté et enflammé. Après détente les gaz brulés ont expulsés, leur chaleur résiduelle Qr est prélevée par l'échangeur 17 et est recyclée par l'échangeur 9. Plus Qr est importante, plus le rendement croit. L'invention est particulièrement destinée aux moteurs à combustion interne ou externe.

Description

La présente invention concerne un mécanisme permettant de transformer la chaleur en énergie mécanique. Elle est particulièrement adaptée à l'exploitation des résidus thermiques des moteurs à combustion interne en usage à ce jour et par extension une amélioration des moteurs thermiques intégrant dans leur cycle une composante du cycle de l'invention. Le cycle de ces moteurs ont un cycle combiné dit "2 en 1" et parfois "3 en 1" lorsque le cycle moteur intègre au cycle natif un cycle triangulaire ou trapézoïdal ainsi qu'une composante de cycle de type Carnot. Le mécanisme selon l'invention peut, comme bon nombre de cycles thermodynamiques, être inversé en cycle thermique. Son rendement est moyen en rapport au rendement optimal de Carnot mais il est par ailleurs très souple quant aux variations de températures de fonctionnement ou aux variations de température de la source thermique ce qui lui confère un intérêt appréciable dans de nombreux domaines à commencer par les énergies nouvelles et renouvelables. Dans des domaines bien spécifiques les mécanismes thermiques selon l'invention offrent une efficacité supérieure aux mécanismes thermiques utilisant un cycle de type Carnot. Ces domaines sont le chauffage ou le refroidissement de flux de matière.

L'essentiel des moteurs en usage aujourd'hui ont un rendement très médiocre et rejettent une quantité de chaleur inexploitée très importante. Parfois celle-ci est exploitée par un mécanisme annexe qui est souvent une turbine à vapeur, cycles combinés. Ceci n'est possible que sur de gros mécanismes. De plus ce gain de rendement n'est pas optimal. Plus généralement chaque fois que nous disposons d'une source de chaleur limitée, c'est-à-dire d'une quantité de chaleur limitée ayant la forme d'une matière ou d'un flux de matière à une température donnée, et que nous cherchons à la transformer en énergie mécanique nous sommes confrontés à la question du meilleur moyen, cette conversion optimale qui nous fera perdre le moins possible de chaleur et nous donnera le plus possible d'énergie. Nous espérons toujours nous approcher le plus possible du rendement de Carnot et pensons qu'il y a un moyen d'en approcher. Or la nature n'est pas aussi généreuse que nous ne l'espérerions d'elle. Le rendement de Carnot est inaccessible pour toutes les sources entrant dans ce domaine. Il semble que le rendement optimal pour de telles sources de chaleur est alors celui donné par le cycle triangulaire -je n'en connais pas le nom, je lui donne le nom de triangulaire vu qu'il fait intervenir trois transformations différentes de la thermodynamique qui forment ainsi un cycle à trois temps-. Ainsi le rendement optimal d'un mécanisme exploitant la chaleur dégagée par une turbine à gaz, un moteur à explosion, une source géothermale,... ne peut pas être le rendement de Carnot (1-Tf/Tc), où Tf est la température de la source froide, Tc la température de la source chaude, mais peut atteindre dans le meilleur des cas le rendement du cycle triangulaire (pointe en bas) qui est (1 - Tf / (Tc - Tf) * ln ( Tc/ Tf )) lequel est toujours inférieur à Carnot quoique optimal. On le comprend immédiatement lorsque nous considérons l'usage d'une machine à vapeur pour une telle conversion. Pour transformer l'eau en vapeur il nous faut nécessairement abaisser la température de vaporisation par rapport à la température de la source de chaleur, Tc, sans quoi nous n'obtiendrons que très peu de vapeur, donc très peu d'énergie donc un très mauvais rendement alors que nous cherchons à nous situer au plus près du rendement idéal de Carnot (1-Tf/Tc). L'optimal passe donc par une détérioration du rendement idéal de Carnot et cet optimal est alors celui donné ci-dessus. De plus, en reprenant l'exemple pris ci-dessus, nous pouvons affirmer que cet optimal ne pourra être atteint par un mécanisme de type turbine à vapeur simple puisque la turbine à vapeur n'exploitera que la fraction Tc-Tv et perdra la fraction Tv-Tf, où Tv est la température de vaporisation de l'eau. La présente invention permet de convertir la totalité de cette quantité de chaleur, de Tc à Tf, et ce avec le meilleur rendement qu'on puisse obtenir dans ce domaine.

Les équipements permettant de faire des cycles combinés à partir des gaz brûlés ou les équipements permettant de faire de la géothermie utilisent des turbines à vapeur. Un usage opportuniste de l'invention consistera à valoriser les systèmes existants dérivés des turbines à vapeur (de cycle Rankine, par exemple) grâce à un mécanisme triangulaire de type pompe à chaleur (cycle triangulaire pointe en haut). L'efficacité de ce cycle est, dans ce cadre spécifique, optimal et plus efficace qu'un rendement de pompe à chaleur classique qui utiliserait le cycle de Carnot, par exemple. L'exploitation de la chaleur par ces turbines peut ainsi être améliorée dans la part principale de leur consommation en énergie, la chaleur de vaporisation. La part de chaleur de chauffage du liquide avant d'être vaporisé ne peut pas être optimisée de manière significative. Le rendement est, pour cette part mineure de la chaleur exploitée, quasi optimal. C'est un usage de l'invention opportuniste car, à terme, le moteur à cycle triangulaire (pointe en bas) devrait remplacer ces turbines à vapeur. En effet, si le rendement de ces turbines approchait le rendement de Carnot, alors l'ensemble, turbine à vapeur et pompe à chaleur à cycle triangulaire pointe en haut optimisant la gestion de la quantité de chaleur exploitée, au mieux équivaudrait en termes de rendement à un moteur de cycle triangulaire pointe en bas, un mécanisme beaucoup plus simple.

Dans la majeur partie des cas la source froide d'un système moteur est abondante aussi les moyens traditionnels déjà développés et performants afin d'abaisser la température de la source froide du moteur, ont tout leur intérêt et la marge de progression est restreinte. Par contre lorsque cette source froide est en quantité limitée la spécificité de l'invention appliquée non plus à la source chaude mais à la source froide trouve tout son intérêt. Un mécanisme triangulaire thermique permettra alors au moteur d'optimiser sa production d'énergie par une meilleure gestion de sa source froide. De meilleurs rendements que ceux du cycle triangulaire sont obtenus par des moteurs à combustions (combustion externes, en général) mais la chaleur est alors une forme intermédiaire intervenant dans un cycle moteur. Dans ces cas l'énergie initiale est alors de l'essence, du diesel, du kérosène, du méthane,... autant d'énergie noble pouvant être converties en chaleur afin d'accroître un potentiel d'énergie thermique initial quelconque. Le rendement de leur conversion n'est donc pas lié à l'énergie utilisée mais au mécanisme en faisant usage. Un même litre d'essence peut être converti en énergie mécanique avec un piètre rendement par un moteur à explosion, il peut tout aussi bien être converti en énergie mécanique avec un assez bon rendement grâce à un moteur de Stirling. Et, jusqu'à la disparition du pétrole, la technique ne cessera d'améliorer ce rendement. Ainsi, selon un usage très courant de ces énergies nobles, l'essence permet de surchauffer un air déjà chauffé à près de 400° par compression dans un moteur à explosion. Ce qui n'est pas possible lorsque nous disposons d'une source de chaleur purement thermique, une source géothermale par exemple. Remarquons que cet exemple très commun puisqu'il équipe toutes nos voitures n'est pas le plus pertinent puisque le cycle triangulaire permet d'obtenir des rendements équivalents ou supérieurs aux rendements des moteurs à explosion, rendements particulièrement médiocres puisque liés au taux de compression (borné) et non à la température de chauffe. Ces moteurs ont, pour reprendre l'exemple ci dessus, un rendement dépendant des 400° de compression et non des 1800° et plus produits par la combustion contrairement au cycle triangulaire dont le rendement est certes moyen mais il dépend lui des 1800° de la température obtenue. Quoique de rendement médiocre, le cycle triangulaire, dans ce cas, aurait un rendement de 0,625 ce qui est supérieur à ce que les moteurs à explosion permettent et alors que le cycle triangulaire permet d'autant mieux de monter à de hautes températures de combustion par le refroidissement naturel et interne des parois de la chemise.

Le cycle triangulaire de l'invention se compose d'une isotherme, premier coté du triangle, d'un chauffage ou refroidissement du fluide de travail (selon le type de cycle), second coté du triangle, et enfin d'une adiabatique, le troisième coté du triangle. Les cycles triangulaires s'obtiennent par la composition de ces trois transformations thermodynamiques. Le cycle étant fermé, en fin de cycle l'état final est donc celui de départ. Ce qui lie le taux de compression et l'écart de température découlant du chauffage/refroidissement du fluide de travail. Nous distinguons donc deux formes de cycle triangulaire de rendement ou efficacité distincts. Le premier est le cycle triangulaire pointe en bas. Le second est le cycle triangulaire pointe en haut. La pointe du triangle étant le point où se rejoignent l'adiabatique et l'isotherme. Le premier cycle, triangulaire pointe en bas, sera le principal cycle moteur. Sa compression isotherme froide lui donne le meilleur rendement, celui donné par la formule ci-dessous, et correspond à la meilleure exploitation de la chaleur d'un flux de matière (gazeuse, liquide ou solide). Les pertes thermiques sont alors uniquement le fait de la compression isotherme et non plus de l'expulsion de gaz brulants. Le rendement des cycles triangulaires moteurs ne dépend que de la température basse et de la température haute. Pour un cycle moteur pointe en bas (compression isotherme froide, chauffage, détente adiabatique), le rendement vaut : 1 - Tf / (Tc - Tf) * ln (T c/T f) ; où ln est le logarithme népérien. Pour un cycle triangulaire pointe en haut le rendement vaut : 1 - ( Tf /Tc - 1) / ln(Tc/T f). Ce dernier est inférieur au rendement du cycle triangulaire pointe en bas mais cette baisse de rendement résulte d'une perte inexploitée de chaleur qui n'est pas sans intérêt comme nous le verrons un peu plus loin. Notons que cette différence de rendement entre les cycles triangulaires pointe en haut et pointe en bas est relative. Les deux cycles sont parfaitement symétriques et leur rendement dépend principalement de la source de chaleur que nous considérons être couteuse. Habituellement la chaleur qui a un coût est celle de la source chaude. Rien ne nous contraint à cette restriction. Il existe des conditions d'exploitation pour lesquelles la source de chaleur exploitée est la source froide et non la source chaude qui est disponible à profusion et sans pénalité. Dans ces contextes, moins familiers des motoristes, les rendements des cycles triangulaires donnés ci-dessus s'inversent. Alors le cycle moteur triangulaire pointe en haut a le meilleur rendement alors que le cycle moteur triangulaire pointe en bas a un rendement moindre. Le cycle triangulaire peut être modifié de sorte que la pointe triangulaire du triangle lui soit retirée. Le cycle triangulaire modifié devient alors un cycle appelé cycle trapézoïdal. Du triangle 40 initial correspondant aux températures (Tf, Tc) restent l'échange thermique principal (Tf, Tc), inchangé, ainsi que les cotés tronqués de la compression (respectivement détente) isotherme et la détente (respectivement compression) adiabatique auxquels s'ajoute un quatrième coté qui fait la liaison entre l'adiabatique et l'isotherme, coté pointe, par un échange thermique de moindre importance. Les cycles triangulaires modifiés de forme trapézoïdal, abusivement nommé trapézoïdal car la forme générale est de type quadrilatère puisque l'échange thermique principal et le second ne sont pas nécessairement semblables (tous deux isochores par exemple), sont également de deux groupes de même que les cycles triangulaires dont ils sont extraits. Il y a donc les cycles trapézoïdaux « pointe » ou petit coté en bas et les cycles trapézoïdaux « pointe » en haut. L'invention est particulièrement bien adaptée pour recycler la chaleur perdue par les turbines ou les moteurs à explosion, cependant bien mieux que d'ajouter un mécanisme à un autre, il est préférable que le moteur incluse dans son cycle la composante triangulaire correspondant au traitement des pertes du cycle initial. Ainsi nous obtenons un cycle combiné "2 en 1". Dès lors les cycles moteurs prennent une composante de compression isotherme grâce à laquelle la température des gaz brulés expulsés avoisine la température ambiante. Cette composante isotherme propre à l'invention est soit une compression en deux temps, de façon préférentielle elle débute par une compression isotherme puis elle est suivie d'une compression adiabatique mais l'ordre inverse peut éventuellement être choisi. Soit la compression est refroidie, c'est-à-dire qu'elle n'est plus vraiment adiabatique de même qu'elle n'est pas isotherme. Ce refroidissement de la compression peut être actif durant la totalité de la compression ou durant une partie de celle-ci. Le refroidissement est tel qu'après explosion du mélange la détente adiabatique des gaz brulés produit une chute de la température au voisinage de la température ambiante. Nous remarquerons la singularité du cycle triangulaire et par voie de conséquence des cycles combinés 2 en 1 qui, au lieu d'expulser en fin de cycle des gaz chauds résultant des pertes entropiques du mécanisme, il expulse des gaz à la température ambiante. Les pertes entropiques ont lieu en amont, en début de cycle par la compression isotherme. Caractéristique qu' ils partagent avec les cycles au rendement de Carnot dont les pertes sont elles aussi celles d'une isotherme. Le cycle triangulaire que réalisent les mécanismes selon l'invention peut être pur ou intégré à un autre cycle connu tel que les cycles essence (cycle de Beau de Rochas) ou le cycle Diesel, etc. Cette intégration au cycle initial, également appelé cycle natif, permet de généraliser les cycles combinés traditionnellement associés aux équipements lourds basés sur des turbines à gaz lesquelles sont combinées à des turbines à vapeur. Les mécanismes selon l'invention permettent de les intégrer simplement et efficacement dès les petites motorisations à commencer par celles du secteur automobile. Si les cycles combinés sont lourds (une turbine à vapeur généralement) et de nature différente (moteur Diesel et turbine à vapeur), l'intégration du cycle triangulaire aux cycles existants a pour effet de constituer un cycle combiné optimisé et simplifié puisqu'il est rassemblé en un unique mécanisme moteur alors que les cycles combinés traditionnels ajoutent au mécanisme moteur principal un mécanisme annexe indépendant. Et leur rendement est amélioré. D'où la dénomination qui leur est donnée de « cycle combiné 2 en 1 » et parfois « 3 en 1 ». L'intégration du cycle triangulaire au cycle initial peut être partielle et complète. Pour un moteur à combustion interne la température de combustion étant très élevée et par ailleurs les gaz brûlés n'ayant pas un gamma élevé il serait alors nécessaire de pratiquer un fort taux de compression ce qui pose des problèmes mécaniques mais également une détente sur un volume très important ce qui est relativement lourd et encombrant. Il est donc possible de n'intégrer qu'une fraction de la composante triangulaire correspondant au recyclage de la totalité de la chaleur perdue par les gaz brûlés du cycle moteur de référence. Seule la partie la plus énergétique sera exploitée. Dans ce cas c'est un cycle triangulaire modifié (trapézoïdal) qui est intégré au cycle original. Les mécanismes à cycle combinés sont naturellement très utiles aux moteurs à combustion interne dont le rendement est médiocre, il peut être cependant appréciable de combiner le cycle triangulaire aux cycles de type Carnot (cycles tels que Carnot, Stirling ou Ericsson), non pour en améliorer le rendement puisque la composante triangulaire pénalise le rendement de ces cycles, mais afin de simplifier ces mécanismes en les débarrassant de la contrainte de recycler une grande quantité de chaleur à chaque cycle. Au lieu d'être recyclée pour le cycle suivant cette chaleur est consommée par le cycle triangulaire ou trapézoïdal combiné au cycle de type Carnot. C'est là une autre famille de mécanismes à cycle combiné 2 en 1 ou 3 en 1 à la différence qu'ici la combinaison des cycles n'est pas nécessairement liée à une augmentation du rendement moteur ou à l'efficacité thermique. Par contre le rendement du cycle triangulaire une fois combiné à un cycle de type Carnot, est lui nettement amélioré. Ces cycles combinés sont particulièrement destinés aux moteurs à combustion interne ou externe, cependant ils peuvent se montrer utiles à des mécanismes thermiques. L'isotherme du cycle triangulaire pourra souvent être remplacée par une adiabatique et une isotherme, selon les cycles thermiques. Les cycles trapézoïdaux et leurs combinaisons permettent d'introduire une famille de variantes qui consiste à développer une stratégie de perte thermique entretenue et recyclée grâce à quoi le rendement s'en trouve être amélioré. En thermodynamique il est généralement question de rendement d'un cycle accompli. Or ce rendement final résulte de l'intégration d'un rendement dynamique qui ne cesse d'évoluer au cours du ou des processus. Ainsi, par exemple, le rendement d'un cycle moteur triangulaire pointe en bas lié au travail d'une détente adiabatique est élevé à haute température pour décroitre rapidement et devenir particulièrement médiocre aux basses températures. Le tout forme le rendement qui a été présenté plus haut. Or la stratégie de perte thermique entretenue consiste à ne pas convertir en couple (improprement, en énergie) la chaleur aux basses températures qui produira que peu d'énergie noble puisque d'un rendement dynamique très médiocre, et de conserver cette chaleur pour le cycle suivant. Ainsi la chaleur aux basses températures est recyclée de cycle en cycle sans jamais être transformée en couple ce qui économise sa production et permet d'exploiter le cycle dans la partie pour laquelle le rendement dynamique est élevé. Ce qui s'exprime par le choix de mécanisme de rendement "détérioré", des mécanismes aux cycles trapézoïdaux et non plus triangulaires, qui rejettent beaucoup de chaleur dans leurs rejets mais dont les pertes sont recyclées. Ce recyclage thermique n'est possible que du fait que nous avons un cycle trapézoïdal dont la spécificité est de réaliser une compression isotherme. Un point fort très appréciable de ces mécanismes est que, tandis que les cycles triangulaires et leurs cycles combinés nécessitent des taux de compression très élevés, ces derniers favorisent des taux de compression faibles ou moyens. Plus leur taux de compression est faible, plus leur rendement apparent est faible, plus le mécanisme travaille à haute température et plus le rendement moteur (pour un mécanisme moteur) est élevé. Mais plus la quantité de chaleur à recycler de cycle en cycle est élevée et plus le point fort apporté par les cycles triangulaires et combinés, d'abaisser naturellement la température du mécanisme sans introduire de refroidissement source de gaspillage énergétique, disparait et fait place à de nouvelles contraintes de température de fonctionnement des pièces mécaniques et de rendement du recyclage thermique. L'usage de compresseurs et de turbocompresseur n'est pas nouveau dans l'industrie automobile. Cependant l'usage qu'il est fait de ces éléments diffère considérablement de celui de l'invention. Les premiers sont conçus afin d'offrir une surpuissance ponctuelle. Les seconds permettent d'économiser un peu du gâchis énergétique des moteurs thermiques à haut régime. Les mêmes caractéristiques les distinguent de l'invention, ils sont épisodiques alors que le mécanisme selon l'invention fonctionne en continu. C'est le régime de standard, de référence. Une autre différence importante est que ces compressions ne sont pas isothermes contrairement à l'invention.

Généralement elles accomplissent un refroidissement après le compresseur ou turbo afin de ne pas nuire en surélevant la température obtenue après compression dans le cylindre moteur ce qui induirait des conséquences néfastes. Ces moteurs souffrent déjà de l'échauffement de l'air frais admis au contact des parois chaudes du cylindre qui se trouve être chauffé et dilaté avant d'être compressé ; et ce alors même qu'une part conséquente de l'énergie consommée est dissipée en pure perte afin de refroidir les cylindres moteur. Il est possible de voir ce refroidissement de l'air après le compresseur comme une forme approchée de compression isotherme, compression isotherme par morceaux en l'occurrence avec un seul palier compression adiabatique-refroidissement. Cependant cette approche est couteuse, une vraie compression isotherme est plus économique, donc améliore le rendement, ce qui est l'objet de ce brevet et de son application dans les cycles combinés intégrés.

D'autre part la compression isotherme apportée dans le cycle combiné 2 en 1 n'est pas quelconque comme dans ces techniques antérieures puisqu'elle est conçue de manière à ce que la détente des gaz brûlés retrouve une température voisine de sa température d'admission. Condition qui découle du cycle triangulaire grâce auquel le cycle combiné 2 en 1 recycle la chaleur perdue du moteur thermique de référence.

Messieurs Nègre, de la société MDI, ont déposé des brevets sur un moteur à air comprimé. De ce fait le cycle de ce moteur s'approche du cycle des mécanismes brevetés et il comporte un compresseur en parallèle. Cependant l'invention présentée ici se distingue de leur moteur. L'usage d'un réservoir d'air comprimé ne peut pas être comparé à une isotherme car le propre d'un réservoir est le stockage et donc de contenir un air à une pression très supérieure à la pression utilisée par le moteur. Nous pouvons noter au passage que les inventeurs n'utilisent pas cet air à la température ambiante au niveau de la chambre de combustion. Afin de ne pas perdre l'énergie stockée par cet air compressé ils le détendent brusquement ce qui l'échauffe considérablement et dont le résultat diffère totalement d'avec l'invention (c'est la démarche opposée de l'invention). Le compresseur qu'ils utilisent en parallèle comme les compresseurs cités plus haut ont les mêmes distinctions d'avec l'invention, ils sont adiabatiques et non isothermes, ils sont débrayables et non liés au cycle moteur et leur taux de compression n'est pas lié au cycle thermodynamique du moteur mais à la pression du réservoir. De même le moteur à double cylindre qu'ils ont inventé permet probablement une détente plus précise mais n'a pas cet attribut spécifique à l'invention, cette isotherme, qui est essentielle au cycle triangulaire et grâce à laquelle le cycle combiné 2 en 1 est obtenu. Par contre l'embiellage qu'ils utilisent, de même que les nombreux embiellages et systèmes utilisés par les moteurs de Stirling, pourrait être utilisé avec profit par l'invention. Les mécanismes selon l'invention utilisent un volume de travail, un cylindre généralement, qui permet de réaliser à la fois les transformations isothermes (compression ou détente selon le cycle) et les transformations adiabatiques. Cette caractéristique implique que l'échangeur de ce volume de travail puisse être tantôt activé, tantôt inhibé. Le dernier dessin illustre un modèle de chemise-échangeur permettant d'accomplir ce type de fonction. Il convient peut être mieux que des échangeurs internes au volume de travail pour des moteurs à combustion interne selon l'invention qui s'encrasseraient. Celui-ci est moins performant que des échangeurs internes mais son contact permanant avec le piston évite que ses surfaces d'échange thermique s'encrassent des suies résultant de la combustion. Selon des modes particuliers de réalisation : - Les mécanismes selon l'invention peuvent être de facture classique, basée sur des mécanismes piston-bielle-vilebrequin, ainsi que les dessins les illustrent schématiquement, mais ils peuvent être aussi bien basés sur des mécanismes à pistons linéaires ou à vérins que sur des mécanismes rotatifs, des mécanismes rotatifs à piston ou à palettes, rotatifs à rotation continue ou rotatifs à rotation alternative ou oscillante, des mécanismes axiaux. - Les mécanismes selon l'invention peuvent être soit moteur, soit de type pompe à chaleur, soit de type frigorifique ou cryogénique. Ils peuvent être fermés ou ouverts. Moteurs, ils peuvent être à combustion externe ou interne. - Les mécanismes selon l'invention travaillent selon un cycle triangulaire, pointe en haut ou pointe en bas, ou un cycle triangulaire modifié pointe en haut ou pointe en bas, cycles dits trapézoïdaux. Le mécanique selon l'invention accomplit successivement soit une compression (respectivement une détente) isotherme d'un fluide de travail, suivie d'un échauffement ou refroidissement du fluide de travail et enfin d'une détente (respectivement une compression) adiabatique du fluide de travail (cycles triangulaires moteurs pointe en bas et, respectivement, pointe en haut), soit une compression (respectivement détente) adiabatique d'un fluide de travail, suivie d'un échauffement ou refroidissement du fluide de travail suivie d'une détente (respectivement compression) isotherme du fluide de travail (cycles triangulaires thermiques pointe en bas et, respectivement, pointe en haut), soit une compression (respectivement une détente) isotherme d'un fluide de travail, suivie de l'échauffement ou refroidissement principal du fluide de travail, suivie d'une détente (respectivement une compression) adiabatique et enfin d'un refroidissement ou réchauffement du fluide de travail de moindre importance par rapport au premier (cycles trapézoïdaux moteurs pointe en bas et, respectivement, pointe en haut), soit une compression (respectivement une détente) adiabatique d'un fluide de travail, suivie de l'échauffement ou refroidissement principal du fluide de travail, suivie d'une détente (respectivement compression) isotherme du fluide de travail et d'un refroidissement ou réchauffement du fluide de travail de moindre importance (cycles trapézoïdaux thermiques pointe en bas et, respectivement, pointe en haut). En circuit fermé à la fin du cycle triangulaire (adiabatique, échange thermique et isotherme selon l'agencement propre au triangle) ou du cycle trapézoïdal (triangulaire modifié) le fluide de travail se trouve être dans l'état initial et qu'en circuit ouvert l'état final (expulsion) est voisin de l'état initial (admission). En combustion interne les gaz brulés ont un taux de vapeur d'eau accru, ramener les gaz brulés à la température ambiante impliquerait donc de condenser en partie cette vapeur ce qui est source de deux ennuis. Le premier est de la grande quantité de chaleur dégagée par cette condensation, une chaleur aux basses températures qui ne pourra pas être recyclée. Le second est le résultat de cette condensation produit une accumulation d'eau et les conséquences qu'elle induit sur les pièces mécaniques, encombrement et obstacle (l'eau est un fluide peu compressible), oxydation, mélanges eau-graisses, risque de gel (formation de cristaux de glace), etc. - Selon des variantes à l'invention le mécanisme est un moteur thermique ou un moteur à combustion externe ou interne, dont le cycle est un cycle combiné 2 en 1 ou 3 en 1, le cycle thermodynamique du moteur intègre une composante compression isotherme propre au cycle triangulaire ou trapézoïdal ou une composante de cycle de type Carnot. Le cycle triangulaire combiné correspond au cycle d'un mécanisme triangulaire qui exploiterait les pertes thermiques du moteur dont le cycle natif ne serait pas combiné. La combinaison des cycles est accomplie en série, un seul flux de fluide de travail travaillé séquentiellement par les processus du mécanisme, ou en parallèle, plusieurs flux de fluide de travail travaillés séparément selon des processus distincts sont ensuite réunis pour un travail final identique. Ce travail final peut être accompli par un mécanisme commun unique ou il peut être accompli dans plusieurs mécanismes qui peuvent être les mécanismes initiaux. Le volume de détente optimal pour un cycle combiné 2 en 1 avec un cycle triangulaire est le volume global (des flux cumulés) d'admission - compression, lorsque le fluide compressé et détendu est le même. - L'invention présente des mécanismes dont le volume de travail 6 effectue des travaux à la fois en isotherme et à la fois en adiabatique. Certains de ces mécanismes ont la particularité d'être à volume de travail clos. Le fluide de travail n'est jamais expulsé du volume de travail, ce dont se rapprochent les variantes avec déplaceur et sans soupape. Cependant ces variantes s'en différencient du fait que le fluide de travail est chassé par le déplaceur 19 afin de traverser l'échangeur thermique 9 qui constitue comme un circuit extérieur. - Les mécanismes d'ouverture et fermeture des volumes de travail et des flux entre ces volumes peuvent être des soupapes ou des vannes, elles peuvent être commandées mécaniquement ou électriquement. De même l'ordonnancement du cycle et des flux peut être déterministe ou adaptatif.

Dans le cas d'un ordonnancement déterministe il peut être constitué d'une association d'arbre à came, cames et soupapes. Dans le cas d'un ordonnancement pouvant être adaptatif celui-ci peut être constitué d'un calculateur. Le calculateur est associé à un ensemble de capteurs qui l'informent de l'état du mécanisme et du contexte environnant. Des capteurs de pression, température, vitesse de rotation, de position, ainsi que de consigne (accélération/décélération par exemple) fournissent aux algorithmes du calculateur les informations nécessaires à ses prises de décision qui s'expriment par des commandes adressées aux mécanismes qu'il gère. Il pourra commander les soupapes et les vannes, le flux de combustible, l'injection, l'allumage, la vitesse de rotation et la sélection des rapports de boite, ainsi que les autres organes dont il a la charge tels que les échanges thermiques et la vitesse du fluide caloporteur qui les traverse. Un calculateur offre au mécanisme un avantage très appréciable d'adaptabilité aux conditions changeantes de fonctionnement, notamment selon les variations de consigne mais également contextuelle, ainsi que la recherche en temps réel de l'optimisation de son cycle, de la relation couple et vitesse de rotation, etc. Le calculateur peut disposer d'un ou de plusieurs algorithmes correspondant à un ou des cycles ou à des manières de combiner et modifier ces cycles. - Les échangeurs thermiques utilisés par le mécanisme selon l'invention peuvent être simples mais aussi multiples, constitués de plusieurs échangeurs en série ou en parallèle disposant d'un circuit et une gestion des flux de leur fluide caloporteur spécifique à chaque sous élément de l'échangeur. L'échangeur 7 du mécanisme de compression/détente isotherme peut, selon certaines variantes, être ainsi subdivisé. - Les mécanismes selon l'invention peuvent comporter un dispositif permettant de prolonger un ou les points morts du mécanisme afin de mieux contrôler les échanges thermiques ou les flux de fluide de travail. Les mécanismes basés sur un système piston-bielle-vilebrequin peuvent utiliser des embiellages particuliers procurant ce comportement. Ces dispositifs sont utiles pour réaliser des cycles trapézoïdaux. L'arrêt au point mort bas du piston permet d'utiliser l'échangeur thermique 7 du volume de travail 6 afin de réaliser un échange thermique à volume constant. Le dispositif de commande de l'échangeur 7 le connecte alors sur un autre circuit que celui de refroidissement, il le connecte soit avec l'échangeur 9 soit avec un régénérateur qui en stocke la chaleur pour un usage différé, ou cette chaleur ne sert pas à améliorer le rendement du mécanisme et est destinée à un autre usage. Elle peut être utilisée en cogénération, dans ce cas c'est à un circuit externe que l'échangeur 7 est connecté. - Certains de ces dispositifs ne produisent pas un arrêt du piston 4 mais ils en ralentissent le mouvement et le contrôlent. Les échanges thermiques ne sont pas nécessairement accomplis soit en isobare soit en isochore. Un choix possible peut consister à réaliser l'échange thermique alors que la pression et le volume changent ou que le volume de travail change de manière contrôlée afin que la pression reste constante durant le transfert thermique. - Les mécanismes selon l'invention ayant une isotherme ont donc des caractéristiques communes avec les turbines à vapeur et de ce fait les techniques utilisées afin d'abaisser la température de condensation (source froide) des turbines afin d'en améliorer les performances peuvent ici aussi être appliquées afm d'améliorer leur rendement. - Selon des variantes à l'invention le dispositif de commande qui permet à l'échangeur 7 du cylindre 6 de travailler en isotherme et en adiabatique (alternativement), et selon des variantes en connectant l'échangeur 7 à différents circuits thermiques, ce dispositif de commande peut être soit mécanique soit électronique. - Selon des variantes à l'invention le mécanisme dispose d'un échangeur interne au volume de 40 travail ou d'un échangeur périphérique au volume de travail ou d'une chemise-échangeur disposant d'ailettes ou de parties métalliques servant à centrer et à transmettre les efforts de la chemise au bloc moteur ainsi qu'à refroidir ou chauffer la chemise-échangeur qui est baignée par un fluide caloporteur, le volume occupé par le fluide caloporteur peut être vidé de son fluide afin d'accroître la propriété adiabatique de l'ensemble échangeur 7 et cylindre 6 lors de ces phases de travail. De même les surfaces d'échange des échangeurs 7, 9 et 17 peuvent avoir la surface disposant de fils, laines ou mousses métalliques afin d'accroitre les échanges thermiques entre l'échangeur et le fluide caloporteur ou le fluide de travail. - Selon des variantes à l'invention le mécanisme exploite une énergie qui peut être solaire, géothermale, thermique portée par un flux ou une masse de matière (par matière sont entendus les gaz -dont les gaz brûlés rejetés par un procédé industriel ou moteur-, les liquides et les solides ; la matière étant un composé homogène ou hétérogène d'un ou de plusieurs de ces éléments), d'un combustible fossile ou recyclable, d'un accumulateur thermique, l'énergie thermique exploitée est ou chaude ou froide. Le mécanisme peut exploiter plusieurs énergies simultanément ou alternativement. Il peut être à combustion externe et à combustion interne, notamment afin de pratiquer une stratégie d'économie de l'oxygène compressé. - Le mécanisme selon l'invention peut comporter une association de plusieurs éléments de cycles distincts. Il est possible, à titre d'exemple non limitatif, de concevoir des moteurs à quatre cylindres dont deux travaillent selon un cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas, et deux cylindres travaillant selon un cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en haut, de sorte que leur association et les échanges thermiques qu'ils partagent constitue un mécanisme d'un cycle de type Carnot, donc de rendement théorique optimal aux deux températures Tf et Tc. Les mécanismes de type Carnot comprennent entre autre les mécanismes de Stirling, d'Ericsson, et de Carnot. Du fait que les cycles triangulaires pointe en bas et pointe en haut n'ont pas le même nombre de temps mécaniques, il est possible de constituer un mécanisme de type Carnot en associant un ou des mécanismes selon l'invention à un ou d'autres mécanismes à cycle triangulaire ou trapézoïdal dont les temps mécaniques conviennent mieux. De même les mécanismes pointe en bas et pointe en haut peuvent travailler les uns en isochore les autres en isobare, l'essentiel étant que les quantités de chaleur échangées et les températures Tf et Tc correspondent. - Selon des variantes à l'invention l'ensemble des mécanismes moteurs ou thermiques en circuit fermé peuvent être adaptés en circuit ouvert en ajoutant au volume de travail 6 des mécanismes fermés une admission et un échappement et leurs soupapes. L'échappement peut comporter un échangeur thermique 17. Entre l'échangeur 17 et le cylindre 6 le mécanisme peut comporter un dispositif permettant d'amortir la détente des gaz libérés et de transformer leur surpression en chaleur, laquelle s'ajoutera à la chaleur résiduelle et pourra être recyclée. Ce dispositif peut être un volume comportant des chicanes que traverse le fluide en se détendant. - Selon des variantes à l'invention les mécanismes à circuit ouvert peuvent être adaptés en moteurs à combustion interne soit en remplaçant l'échangeur thermique 9 par une chambre à combustion, soit en associant une chambre à combustion à l'échangeur 9 -dans ce cas nous privilégierons la disposition donnant à l'échangeur 9 une fonction de préchauffage précédent la combustion-, soit en disposant de bougie ou injecteur 21 sur le cylindre 6 ou sa culasse ou sur le déplaceur 19 qui lui est associé. Certaines variantes peuvent disposer à la fois d'une chambre à combustion extérieure au volume 6 et de bougie ou injecteur 21 sur le cylindre 6 ou sa culasse, notamment lorsque le cycle est combiné avec un cycle de type Carnot. - Selon des variantes à l'invention les moteurs, en circuit fermé ou ouvert, améliorent leur rendement en pratiquant une stratégie de perte thermique entretenue et recyclée, pour cela la chaleur résiduelle Qr en fin de cycle est prélevée par l'échangeur thermique 17 ou par l'échangeur 7 (c'est là une seconde fonction qui lui est assignée, sa fonction première étant le travail en isotherme du mécanisme 6 et 4 lors de la compression selon un mécanisme de type moteur à explosion) tout ou partie de cette chaleur Qr est recyclée par l'échangeur 9 en contribuant au préchauffage du fluide de travail. Les moteurs à combustion interne pourront ajouter une stratégie d'économie de l'oxygène compressé en utilisant une seconde source d'énergie afin de préchauffer le fluide de travail aux températures chaudes accessibles aux mécanismes à combustion externe sans consommer l'oxygène compressé afin de réserver cet oxygène pour une ou des combustions à des températures supérieures à celles-ci ou pour une combustion lente et prolongée qui permet d'approcher la détente d'une détente isotherme à haute température. - Selon des variantes à l'invention, en circuit ouvert ou fermé, une seconde fonction peut être attribuée à l'échangeur 7, celle-ci concerne également un travail isotherme mais selon la seconde source de chaleur, généralement, de manière à créer des cycles combinés intégrant au cycle triangulaire ou trapézoïdal un cycle de type Carnot (Carnot, Stirling ou Ericsson). Par exemple, de manière non limitatif, le moteur réalise une compression isotherme froide en 6 puis réalise un début de détente isotherme chaude du fluide chaud admis avant de terminer en adiabatique. L'échangeur 7 travaille selon sa fonction principale en lien avec la source froide puis, selon un mode secondaire, en lien avec la ou une source chaude. Il évacue une quantité de chaleur dégagée par un travail exotherme selon sa fonction principale et il fournit une quantité de chaleur à un travail endotherme lors de la seconde fonction qui lui est ajoutée. - De même selon des variantes à l'invention l'échangeur 7 peut être utilisé selon une seconde fonction afin de réaliser des cycles trapézoïdaux. En plus de sa fonction principale il réalise aussi l'échange thermique de moindre importance des cycles trapézoïdaux. Cet échange peut être réalisé pendant que le piston 4 ne bouge plus ou durant son déplacement. - Selon des variantes à l'invention les moteurs à combustion interne intègrent un cycle de type Carnot en approximant une détente isotherme haute température par une combustion lente et longue produite par une injection prolongée de faible quantité de carburant ou par une succession de brèves injections de carburant. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente le cycle triangulaire selon l'invention dont la phase de chauffage ou refroidissement est isobare (à pression constante) dans la configuration pointe en bas. La figure 2 représente le cycle triangulaire selon l'invention dont la phase de chauffage ou refroidissement est isobare (à pression constante) dans la configuration pointe en haut. La figure 3 représente le cycle triangulaire selon l'invention dont la phase de chauffage ou refroidissement est ici une isochore (à volume constant), configuration pointe en bas.

La figure 4 représente le mécanisme selon l'invention en circuit fermé travaillant en mode isobare. La figure 5 représente le mécanisme selon l'invention en circuit fermé travaillant en mode isochore où le déplaceur est placé en série. La figure 6 représente le mécanisme selon l'invention en circuit fermé travaillant en mode isochore où le déplaceur est en parallèle avec l'échangeur thermique (montage traditionnel). La figure 7 représente le mécanisme selon l'invention en circuit fermé travaillant en mode isochore où le déplaceur partage le même cylindre que le piston. C'est une variante simplifiée d'un moteur de Stirling à un seul cylindre, c'est également une variante très peu différente de la figure précédente. La figure 8 représente le schéma d'un moteur à combustion interne selon l'invention.

La figure 9 représente le schéma d'un moteur à combustion interne selon l'invention dérivé de la figure 4, disposant d'échangeur thermique permettant une stratégie de perte thermique entretenue recyclée grâce à quoi le rendement moteur est accru. La figure 10 représente le schéma d'un moteur à combustion interne selon l'invention dérivé de la figure 6, disposant d'échangeur thermique permettant une stratégie de perte thermique entretenue 15 recyclée grâce à quoi le rendement moteur est accru. La figure 11 représente le schéma d'une chemise-échangeur permettant d'améliorer les échanges thermiques pour des moteurs à combustion interne. En référence à la figure 1, celle-ci représente le cycle thermodynamique de l'invention dans un diagramme PV (Pression/Volume) pour un échauffement / refroidissement réalisé à pression 20 constante (isobare), le cycle triangulaire est la pointe en bas (ici le point a). Le cycle moteur se compose d'une compression isotherme 1 suivie d'un échauffement du fluide de travail 2 à pression constante, et pour finir le cycle triangulaire une détente adiabatique 3 qui ramène le fluide de travail à l'état initial pour un mécanisme fermé (sans transformation chimique, combustion, du fluide de travail). Dans ce cas pression, volume et température sont exactement les mêmes qu'en début de 25 cycle, au point a. Dans le cas d'un mécanisme ouvert tel qu'un moteur à combustion interne la transformation chimique résultant de la combustion ainsi que de l'ajout du combustible modifie l'état de retour qui ne peut plus être identique à l'état initial. Notamment en raison de la présence de vapeur d'eau. Cependant l'invention considèrera l'état final, avant l'expulsion des gaz brulés, comme un état voisin de celui-ci. Cet état peut être déterminé en fixant les trois paramètres pression, 30 volume et température dont quelques uns ou même aucun correspondent à l'état initial. Ainsi que le cycle nous le montre, et plus encore un cycle suivant, figure 3, pour lequel le taux de compression est beaucoup plus élevé que celui utilisé ici pour décrire ce cycle, la pointe du triangle ne représente que peu de travail (peu d'énergie dirions nous improprement) aussi le cycle théorique peut être adapté et, moyennant une très faible perte de rendement, gagner en densité de puissance. Le moteur 35 devient plus puissant à volume ou masse identique. Le cycle triangulaire ainsi modifié devient un cycle trapézoïdal. Ce choix dispendieux peut être modéré par l'usage d'un turbo tel que le monde automobile l'utilise couramment aujourd'hui. Nous verrons plus loin que ce gaspillage énergétique peut devenir le moyen d'une stratégie d'accroissement du rendement moteur lorsqu'il est conjugué à un recyclage. Comme tous les cycles thermodynamiques le cycle moteur triangulaire peut être 40 inversé afin de produire un cycle thermique. Le cycle moteur triangulaire est 1-2-3, le cycle thermique correspondant est 3-2-1. Naturellement chauffer la source froide grâce à une compression adiabatique est absurde ... mais il lui sera trouvé des usages très intéressants. Ainsi que nous l'avons dit, l'invention excelle tout particulièrement dans le traitement de flux thermique de matière (solide, liquide ou gaz). Le cycle moteur optimise la conversion chaleur-énergie de la chaleur véhiculée par un flux de matière (solide, liquide ou gazeuse) en exploitant la totalité de la chaleur comprise entre la température de cette matière et la source froide dont nous disposons, de Tc à Tf. Le cycle inversé, cycle thermique offre exactement la même excellence. C'est précisément dans ce cadre là qu'il offre le meilleur rendement (efficacité), lorsque nous chauffons un flux de matière d'une température Tf à une température Tc ou lorsque nous refroidissons un flux de matière d'une température Tc à une température Tf -ce qui n'empêche nullement de lui trouver d'autres applications judicieuses en exploitant sa singularité-, que ce flux de matière soit la source primaire de chaleur (froide ou chaude) ou un circuit secondaire véhiculant la chaleur d'une source primaire. Les mécanismes selon l'invention seront bien plus performants que les mécanismes traditionnels pour des fonctions telles que la congélation de produits sur une chaine de production ou le chauffage des flux d'air compensant les flux d'air chaud perdus par les portes des magasins, par exemple. Cet air chaud est perdu sans pouvoir recycler sa chaleur, pour le compenser il est faut prélever un air froid extérieur et le porter à la température intérieure. Une pompe à chaleur à cycle triangulaire est dans ce cas plus efficace qu'une pompe à chaleur selon un cycle de Carnot. Il en est de même pour une climatisation en été.

En référence à la figure 2, le cycle triangulaire illustre un cycle pointe en haut dont le chauffage / refroidissement est fait en isobare (pression constante). Si nous sommes à l'état de référence au point c, le cycle moteur se comporte comme tel : la phase 3 est une compression adiabatique qui amène le fluide de travail de la température froide Tf à la température chaude Tc. Elle est suivie d'une détente isotherme chaude, phase 1. Les cycles triangulaires la pointe en haut fonctionnent comme la plupart des moteurs, avec une source de chaleur constante continue ce que permettent les énergies nobles comme l'essence, le diesel, le charbon, etc. La phase 1 ramène le système à la pression initiale, mais le fluide de travail est toujours à la température chaude, donc dilaté, le volume est donné par le point b. La phase 2 refroidit le fluide de travail à pression constante afin de le ramener aux conditions initiales, au point c. Le cycle moteur est achevé. Nous remarquerons que ce cycle n'est pas optimum en termes de production d'énergie car une partie conséquente de chaleur est gaspillée lors de la phase 2. D'où la valeur du rendement donné plus haut qui est moins bon que celui du rendement du cycle triangulaire pointe en bas. Or cette chaleur « perdue » correspond précisément au domaine pour lequel excelle le cycle triangulaire pointe en bas. Cette constatation nous amène naturellement à remarquer que les trois principaux cycles thermodynamiques offrant le rendement optimal, le rendement de Carnot, ces trois cycles « s'écrivent» par la composition de deux cycles moteurs triangulaires, l'un étant triangulaire pointe en bas et l'autre triangulaire pointe en haut -respectivement mécanisme thermique par l'inversion du sens de rotation des cycles-. Plus généralement les cycles de type Carnot peuvent être écrits soit avec deux cycles triangulaires et, lorsque le taux de compression du cycle de type Carnot est moins élevé que celui du cycle triangulaire correspondant aux températures de travail (Tf, Tc), soit en modifiant les triangles. Pour cela il est nécessaire de fixer le taux de compression de l'un d'eux sur le taux de compression du cycle de référence, de type Carnot, le second triangle correspond au cycle triangulaire (Tf, Tc) auquel est ôté la pointe triangulaire de sorte que les taux de compression des deux cycles soient les mêmes afin qu'ils correspondent au taux de compression du cycle de type Carnot (Stirling ou Ericsson) réalisé. Le cycle triangulaire modifié prend une forme globale de trapèze. Les cotés du trapèze sont formés par la détente et la compression, l'une adiabatique l'autre isotherme, et deux transferts de chaleur (isochores ou isobares, par exemple) dont l'une, la plus petite, correspond à la pointe retirée du triangle d'origine. L'association de deux cycles triangulaires, complet ou modifié (trapézoïdal), permet d'obtenir tous les cycles de type Carnot. Les associations possibles sont donc triangle-triangle, triangle-trapèze, trapèze-trapèze. Il est possible d'écrire un cycle de type Carnot à l'aide de trois cycles, deux cycles triangulaires séparés par un cycle en forme de losange. Ce cycle est composé de deux adiabatiques reliées par deux transferts de chaleur. Cette composition s'apparente à l'une de celles décrites précédemment selon qu'on rapproche le losange d'un des deux triangles et forment ainsi un cycle trapézoïdal. Les cycles trapézoïdaux étant des cycles triangulaires modifiés, nous retrouvons les deux familles `pointe' en bas et `pointe' en haut. C'est ainsi qu'en utilisant le cycle de la figure 1, à pression constante pointe en bas, avec le cycle de la figure 2, à pression constante pointe en haut, nous obtenons le cycle d'Ericsson par la juxtaposition des cycles moteurs selon le coté adiabatique en mettant en correspondance les points a et c. Le cycle d'Ericsson obtenu part du point a du cycle de la figure 1, il fait une compression isotherme basse température, figure 1 phase 1, il poursuit par le réchauffement à pression constante du cycle de la figure 1, phase 2, et parvient à l'extrémité commune aux deux cycles. Le cycle d'Ericsson se poursuit sur le second cycle celui de la figure 2. Il fait alors une détente isotherme chaude, phase 1 figure 2, suivie d'un refroidissement à pression constante, phase 2 figure 2. Le cycle est bouclé. Nous sommes revenus au point c de la figure 2 correspondant au point a de la figure 1. Le travail de compression adiabatique du cycle pointe en haut équivaut au travail de détente adiabatique pointe en bas. Les deux cycles moteurs triangulaires forment un cycle d'Ericsson. De même le cycle de Carnot s'obtient en juxtaposant ces deux cycles par leur coté isotherme, soit en faisant coïncider les points a et b des deux cycles. Le cycle triangulaire pointe en haut selon diverses variantes peut avoir la phase d'échange thermique non plus en isobare mais en isochore ou encore une libre composition des deux. De même qu'il a montré pour les cycles d'Ericsson et de Carnot, à partir des cycles triangulaires isochore pointe en haut et pointe en bas, nous obtenons les cycles de Stirling et de Carnot. Ces cycles offrent le meilleur rendement que l'ont puisse obtenir, or les deux cycles moteurs qui les composent ont un rendement inférieur au rendement de Carnot.

En référence à la figure 3, le cycle décrit dans ce schéma est un cycle triangulaire (cycle nmo) et cycle trapézoïdal (cycle qmop) pointe en bas isochore. Pour un fluide donné un couple de températures (Tf,Tc) donné il existe un seul cycle triangulaire pointe en bas et un cycle triangulaire pointe en haut, par contre une infinité de cycles trapézoïdaux extraits de ceux-ci sont possibles. Le cycle commence par une compression isotherme, phase 1, lui succède un échauffement isochore (à volume constant), phase 2, la troisième phase du triangle est la détente adiabatique, phase 3. Au terme de la détente adiabatique le fluide de travail retourne à son état initial. Nous remarquons que l'exemple illustrant le cycle correspond a un fort taux de compression et donc d'échauffement, ce qui pour les données correspondant aux courbes de cette figure ce traduit par un rendement du cycle élevé : 0,63 alors qu'il est de 0,82 pour un rendement de Carnot aux mêmes températures. Nous remarquons que la pointe du triangle est très effilée. Il s'en suit deux adaptations pouvant être apportées à l'invention séparément ou conjointement. La première consiste à amputer à partie « inutile » du triangle par un refroidissement isochore par exemple, la section p-q du cycle de la figure 3, en circuit fermé. Plus de la moitié du volume utilisé ne produit presque pas de travail. Il est donc possible, en perdant très peu de rendement, de réduire considérablement le volume du moteur et donc de gagner en rapport puissance/poids. Le cycle triangulaire ainsi modifié, qmop, est un cycle trapézoïdal. La seconde adaptation de l'invention consiste à accroitre la compression isotherme au-delà de ce qu'il est nécessaire à la détente adiabatique pour ramener le fluide de travail à la température initiale. Ce surcroît de compression permet d'introduire une composante isotherme à la détente. Ainsi la détente commence par une partie détente isotherme chaude pour se poursuivre par la détente adiabatique du cycle triangulaire qui ramène aux conditions initiales. De cette manière le rendement est amélioré puisque la détente isotherme chaude associée à la fraction ajoutée de compression isotherme froide définit un sous cycle de Stirling, donc cette partie du cycle est optimale avec le rendement de Carnot et sans avoir à gérer la complexité du cycle de Stirling pur. Il n'y a aucun régénérateur puisque le cycle se poursuit par un cycle triangulaire. De cette manière le rendement de 0,63 donné en exemple ci-dessus, peut être un peu plus approché du rendement idéal de 0,82. Ces deux adaptations peuvent se conjuguer afin de donner plus de puissance au moteur, un fort taux de compression et une compression/détente amputée de sa partie peu énergétique. Ces adaptations s'appliquent à tous les cycles triangulaires et trapézoïdaux, quelle que soit la forme de leurs échanges thermiques.

En référence à la figure 4, le mécanisme selon l'invention est un mécanisme pouvant être moteur ou thermique travaillant en circuit fermé et selon un mode isobare. Le mécanisme comporte un cylindre 6 muni d'un échangeur thermique 7 pouvant être activé ou désactivé selon les périodes du cycle, un piston 4 et sa bielle 5, les soupapes ou clapets d'échappement et d'admission 10 et 11, un circuit thermique extérieur 15 comprenant un échangeur 9 et, éventuellement, un réservoir 14 lissant les variations de pression. La flèche 16 indique le flux de fluide de travail bien qu'il ne soit pas significatif du fait de la simplicité et de la symétrie du mécanisme. Les flèches indiquant les flux thermiques Qi et Qc correspondent à un fonctionnement privilégié de type moteur. Le fonctionnement du mécanisme en mode moteur selon un cycle triangulaire pointe en bas est le suivant : lorsque le piston 4 est à son point mort haut, au voisinage de sa culasse, la soupape 10 est ouverte, le fluide de travail chaud est admis. Lorsque le volume en admission est atteint la soupape est fermée et la détente se poursuit en adiabatique. L'échangeur 7 étant désactivé. Parvenu au point mort bas le fluide de travail est froid et détendu. Commence alors sa compression isotherme basse température. L'échangeur 7 est activé et évacue une quantité de chaleur Qi résultant de la compression du fluide de travail à la température froide. Lorsque la pression égale celle du circuit 15, le clapet 11 s'ouvre et le fluide pressé et froid est expulsé dans le circuit 15. Celui-ci traverse, à pression constante, l'échangeur 9 où il reçoit une quantité de chaleur Qc. Chaud et dilaté il parvient en admission. L'échangeur thermique 7 est désactivé. Un nouveau cycle commence. Un cycle en deux temps. Le fonctionnement moteur selon un cycle triangulaire pointe en haut est le suivant : le piston 4 est au point mort haut, la soupape 10 est ouverte et l'échangeur 7 est désactivé. Le fluide de travail froid et détendu est admis. Lorsque le piston est parvenu à son point mort bas la soupape 10 est fermée et la compression adiabatique commence. La température du fluide de travail s'élève au voisinage de la température de la source de chaleur. L'échangeur 7 est activé et amène au fluide de travail durant la détente isotherme chaude une quantité de chaleur Qi (la flèche est inversée). La détente isotherme produit un couple moteur. Parvenu au point mort bas l'échangeur thermique 7 est désactivé, la soupape 11 est ouverte et le fluide de travail chaud et détendu est expulsé dans le circuit 15. Le fluide de travail traverse l'échangeur thermique 9 où il est refroidi. L'échangeur 9 évacue une quantité de chaleur Qc (la flèche est inversée) à pression constante. Après quoi le fluide de travail parvient en admission froid et détendu. Selon ce fonctionnement le circuit 15 est à basse pression alors que dans le cycle triangulaire pointe en bas il est à haute pression. Le cycle mécanique est ici à quatre temps alors qu'en cycle pointe en bas il est à deux temps. Dans ce mode de fonctionnement le réservoir 14, optionnel, peut être placé sur l'autre coté du circuit afin de correspondre à la partie froide du fluide de travail. Le fonctionnement en mode thermique selon un cycle triangulaire pointe en bas est le suivant : lorsque le piston 4 est à son point mort haut, contre la culasse, la soupape 10 est ouverte et l'échangeur 7 est activé. Le fluide de travail pressé et froid est admis. Lorsque le volume à admettre est atteint, la soupape 10 est fermée. Le piston 4 poursuit sa course descendante. Le fluide de travail réalise une détente isotherme froide qui consomme une quantité de chaleur Qi (la flèche est inversée). Le piston 4 parvenu à son point mort bas le fluide de travail est détendu et a gardé la même température. L'échangeur thermique 7 est alors désactivé et commence la compression en adiabatique du fluide de travail. Lorsque la pression interne égale la pression du circuit 15 la soupape ou clapet 11 s'ouvre et le fluide de travail compressé et chaud est expulsé dans le circuit 15. Là il traverse l'échangeur 9 où il cède, à pression constante, sa chaleur. L'échangeur 9 évacue une quantité de chaleur Qc. Puis le fluide de travail parvient en admission, froid et compressé. Un nouveau cycle commence. Un cycle à deux temps. Le fonctionnement en mode thermique selon un cycle triangulaire pointe en haut est le suivant : le piston 4 est à son point mort haut. La soupape 10 est ouverte et l'échangeur thermique 7 du cylindre 6 est activé. Commence l'admission du fluide de travail chaud et à basse pression. Lorsque le piston parvient à son point mort bas la soupape 10 est fermée. Commence la compression isotherme chaude. La compression dégage une quantité de chaleur Qi. Parvenu à son point mort haut l'échangeur 7 est désactivé, le fluide pressé et chaud contenu dans le volume mort est alors détendu en adiabatique. Sa température chute avec la pression. Lorsque le piston 4 est parvenu à son point mort bas le fluide de travail est froid et détendu. La soupape 11 est ouverte et le fluide détendu est expulsé dans le circuit 15. Lorsque le piston parvient à son point mort haut la soupape 11 est fermée et l'échangeur 7 peut être activé. Le fluide de travail froid expulsé traverse l'échangeur 9 où il reçoit une quantité de chaleur Qc puis parvient, détendu et chaud, en admission. Un nouveau cycle commence. Ici aussi le cycle mécanique a quatre temps. Le cycle moteur qui sera le plus utilisé est le cycle moteur triangulaire pointe en bas qui est simple et à deux temps seulement. Le cycle thermique triangulaire pointe en haut est utile pour transformer la chaleur d'une masse ou d'un flux de matière en source de chaleur constante à cette température. Son usage est typiquement la transformation de la chaleur d'une source géothermale en chaleur à température constante pour une turbine à vapeur. Ce mode de fonctionnement est moins simple, quatre temps, mais aussi parce qu'il nécessite un volume mort dans le cylindre 6, ce qui induit des mélanges de fluides froid et chaud et donc des pertes de chaleur. Une adaptation simple à ce défaut consiste à chauffer le fluide restant dans le volume mort à l'aide de l'échangeur 7 avant l'admission du fluide chaud détendu. Une variante à l'invention consiste à combiner le cycle triangulaire à un cycle de type Carnot. Pour cela une partie de la détente et de la compression sont faits en isotherme (composante du cycle de type Carnot). Afin d'illustrer le fonctionnement du mécanisme selon un cycle combiné, triangle Carnot (je préfère parler de cycle de type Carnot plutôt que de spécifier de Stirling ou d'Ericsson), nous reprenons la description d'un mécanisme moteur de cycle triangulaire pointe en bas. Lorsque le piston est à son point mort haut, la soupape 10 est ouverte et le fluide sous pression et chaud est admis en entrée. L'échangeur 7 est activé, il est connecté à la source chaude. Lorsque le volume à détendre est atteint la soupape 10 est fermée et commence une première phase de détente isotherme chaude qui constitue, avec la fraction correspondante isotherme froide, la composante de type Carnot combinée. Puis l'échangeur 7 est désactivé et la détente se poursuit en adiabatique. Lorsque le piston est parvenu à son point mort bas le fluide de travail est détendu et froid. Un état transitoire fugace puisque suit immédiatement la compression isotherme froide du fluide de travail. L'échangeur 7 est activé et il est connecté à la source froide. Il évacue une quantité Qi de chaleur correspondant à la compression isotherme. Le fluide compressé et froid est expulsé dans le circuit 15, il traverse l'échangeur 9 où il reçoit une quantité de chaleur Qc. Chaud et dilaté il parvient en admission. Un nouveau cycle commence. Un autre cycle combiné consiste à combiner un cycle triangulaire avec un cycle de type moteur Diesel (qui consiste à ajouter une adiabatique à l'isotherme). Nous ne donnons qu'un exemple parmi les quatre cycles moteurs et thermiques découlant de cette combinaison de cycles. Dans le cas d'un moteur dont le cycle triangulaire est pointe en bas la compression du fluide commence en isotherme puis l'échangeur 7 est désactivé et la compression s'achève en adiabatique. Le fluide de travail déjà échauffé par la compression traverse l'échangeur 9 à pression constante. Il reçoit une quantité de chaleur Qc et en est dilaté. Il est ensuite admis en détente adiabatique comme précédemment.

Les mécanismes en circuit fermé gagneront à utiliser des échangeurs thermiques 7 internes au volume de travail du cylindre 6. En référence à la figure 5, le mécanisme représente une variante de la figure précédente travaillant en isochore. Pour cela nous introduisons un déplaceur 19 disposant d'un piston 4 et de sa bielle 5. Il est placé en série sur le circuit extérieur 15 du coté de l'expulsion. Pour le reste tout est identique à la figure 4, seul le volume du circuit 15 est minimisé afin de réduire les volumes morts dus au volume de l'échangeur 9 et de ses conduits. Le fonctionnement du mécanisme en mode moteur à cycle triangulaire pointe en bas suit le processus : lorsque le piston 4 est à son point mort haut, contre la culasse, la soupape 10 est ouverte et l'échangeur 7 est désactivé. Le fluide de travail pénètre dans le cylindre 6 alors que le piston 4 du cylindre 6 commence à redescendre. La course du piston du cylindre 6 est étroitement liée à la course du piston du déplaceur 19, elles sont telles que le volume de fluide reste constant alors que celui-ci est transféré du volume 19 au volume admis dans le cylindre 6. Au cours du transfert il traverse l'échangeur 9 où il chauffé à volume constante et reçoit une quantité de chaleur Qc. Lorsque le déplaceur 19 a expulsé le volume qu'il contenait la détente du fluide de travail commence, détente adiabatique. Lorsque le piston 4 du cylindre 6 parvient à son point mort bas le fluide de travail est froid et détendu. La soupape 10 est fermée. L'échangeur 7 du cylindre 6 est activé. La soupape 11 est ouverte. La compression isotherme du fluide de travail commence. L'échangeur 7 évacue une quantité de chaleur Qi. Au cours de cette compression, tout à la fin ou tout au début ou encore durant la compression, le piston du déplaceur se retire, le volume du déplaceur 19 se remplit de fluide. Lorsque la compression isotherme est terminée et le fluide compressé totalement expulsé, la soupape 11 est fermée et l'échangeur 7 est désactivé. Le fluide de travail froid et compressé est contenu dans le déplaceur 19. Un nouveau cycle commence. La soupape 10 est ouverte... Le défaut de ce processus est que le fluide compressé/détendu dans le volume du déplaceur 19 n'est pas maintenu à température constante, l'isotherme est faussée. Afin d'améliorer le comportement isotherme de ces transformations le piston du déplaceur 19 peut être synchronisé avec celui du volume de travail 6 afin que le fluide de travail soit transféré, à volume constant, du volume de travail 6 au volume du déplaceur 19. Un mécanisme plus simple s'obtient à partir de celui-ci, il n'utilise aucune soupape. La partie correspondant à la soupape 11 est supprimée. Le déplaceur 19 est dans le prolongement du cylindre 6, ils sont reliés par l'échangeur 9 qui, comme ici, tend à avoir le volume minimal. Les deux processus décrits ci-dessus se retrouvent selon cette variante. Soit le volume du déplaceur 19 s'ajoute au volume de travail 6 soit le fluide compressé est transféré à volume constant dans le déplaceur. Selon certains cas, l'échangeur 9 est tantôt activé tantôt désactivé afin que le déplaceur se remplisse du fluide compressé et froid puis que le fluide de travail soit chauffé en isochore lorsque le déplaceur 19 transfert le fluide à volume constant dans le cylindre 6. Le mécanisme est plus simple, le volume interne du circuit 15 réduit, l'échangeur 9 est légèrement plus complexe puisqu'il est, lui aussi, activé / désactivé en alternance. Les cycles décrits pour le mécanisme de la figure 4, cycles moteurs et thermiques ainsi que les cycles combinés, se réalisent ici également. Les hommes de l'art n'auront aucun mal à les déduire des précédentes descriptions ainsi que de celles de cette figure et de ces variantes. En référence à la figure 6, le mécanisme correspond à une légère variante du mécanisme de la figure 5. Ici le déplaceur 19 est utilisé de manière traditionnelle, en parallèle avec l'échangeur 9 qui réalise les échanges thermiques isochores.

Le mécanisme comprend un cylindre de travail 6 disposant d'un échangeur thermique 7 pouvant être activé et désactivé. Un déplaceur 19 est relié au cylindre 6. En parallèle au déplaceur est un échangeur thermique 9 de volume interne réduit. Lorsque le piston 4 du déplaceur 19 parcourt le cylindre du déplaceur le fluide de travail est contraint à traverser l'échangeur thermique 9 pour rejoindre le volume laissé libre derrière le piston du déplaceur. L'échange thermique est ainsi isochore. Plusieurs variantes sont possibles à ce mécanisme. Certaines utilisent une soupape 10, une autre n'en utilise pas et les volumes du cylindre 6 et du déplaceur 19 communiquent continument. Dans ce cas le piston 4 du cylindre 6 doit marquer une pose ou doit avoir son mouvement considérablement ralenti au voisinage du son point mort haut afin que le déplaceur 19 puisse réaliser le transfert thermique isochore. Un embiellage spécifique permet d'obtenir ce résultat pour un mécanisme à piston bielle et vilebrequin. Certaines variantes consistent à munir le déplaceur 19 de plusieurs échangeurs 9. Ainsi nous pouvons avoir deux échangeurs 9, chacun disposant d'un clapet anti retour (ou de vanne commandée) orienté en sens inverse de sorte que chaque déplacement du piston du déplaceur 19 impulse au fluide de travail un sens et un seul de traversé des échangeurs 9. De cette manière le travail du piston du déplaceur 19 peut être réduit à une unique translation sans nécessiter un retour à sa position initiale inutile. Le piston du déplaceur 19 retrouve sa position initiale tous les deux échanges thermiques isochores. Dans d'autres variantes le piston du déplaceur 19 accompagnera le piston du volume de travail 6 de manière à réaliser un transfert du fluide de travail à volume constant, avant puis après l'échange thermique isochore. Selon ce mode de fonctionnement à chaque cycle le piston du déplaceur 19 réalise deux allers-retours. Un aller-retour pour l'admission et expulsion ainsi qu'un retour pour l'échange thermique isochore suivi d'un aller non fonctionnel servant à repositionner le piston pour le retour de celui-ci correspondant au transfert du fluide dans le volume de travail à volume constant. Ce processus est plus lourd mais il assure que la compression (ou détente) est bien isotherme puisque le volume du déplaceur n'est plus réuni au volume de travail 6, et de plus dans l'adaptation de ces mécanismes aux moteurs à combustion interne il offre l'avantage appréciable d'expulser la totalité des gaz brulés alors que les processus plus simples font du volume du déplaceur 19 un volume mort où les gaz brulés stagnent pour se mélanger ensuite à l'air frais admis.

Les autres variantes ont un mouvement naturel continu du piston 4 du cylindre 6 qui ne nécessite pas de lui faire marquer un temps de pose. Ces variantes consistent à ajouter un ensemble soupape 10, déplaceur 19 et son échangeur 9 à un ensemble de cylindres 6 travaillant en déphasage. Le déplaceur surnuméraire isolé, dont la soupape 10 est fermée, travaille. Son piston se déplace et produit l'échange thermique isochore. L'échange thermique achevé il est disponible au prochain cylindre 6 dont le cycle parvient à cet échange thermique. Le déplaceur avec lequel il communiquait ferme sa soupape et devient le déplaceur isolé du groupe, celui qui vient d'achever son travail isochore ouvre sa soupape avec le cylindre 6 qui poursuit son cycle. De cette manière pour un unique cylindre 6 il est nécessaire d'avoir deux déplaceurs 19 en parallèle, pour deux cylindres 6 déphasés d'un demi-cycle il est nécessaire d'avoir trois déplaceurs, etc. Le défaut de cette solution est de multiplier les soupapes et les volumes morts, en effet le cycle produit une permutation des déplaceurs 19 vis-à-vis des cylindres 6 ce qui nécessite que chaque déplaceur 19 est connecté à chaque cylindre 6. Cette caractéristique rend le mécanisme lourd et moins performant à partir de trois cylindres 6 servis par quatre déplaceurs 19. Voici la description du fonctionnement d'un mécanisme moteur à cycle triangulaire pointe en bas à partir duquel il est simple d'extrapoler les autres cycles décrits en référence à la figure 4 (cycles moteurs et thermiques ainsi que cycles combinés). Nous considérons un mécanisme disposant de deux cylindres 6 nommés 6 et 6' en déphasage d'un demi-cycle. Ils sont servis par trois déplaceurs 19a, 19b et 19c (associés aux soupapes 10a, 10a', 10b, 10b', 10c, 10c', et aux échangeurs 9a, 9b, 9c). Le déplaceur 19a est relié aux cylindres 6 et 6', il dispose d'une soupape 10a qui le met en communication avec le cylindre 6 ou l'en isole et il dispose également d'une soupape 10a' qui le met en communication avec le cylindre 6' ou l'en isole. Chaque culasse porte trois soupapes. Lorsque le piston du cylindre 6 est à son point mort haut et que commence sa phase de détente adiabatique, la soupape 10a est ouverte les autres sont fermées, le fluide de travail compressé et chaud contenu dans le déplaceur 19a se détend en adiabatique dans le cylindre 6. Pendant ce temps là le cylindre 6' réalise une compression isotherme dans le volume du déplaceur 19b, la soupape 10b' étant ouverte. Le piston du cylindre 6 étant parvenu à son point mort bas, le fluide est détendu et froid. L'échangeur 7 est activé et commence une compression froide du fluide de travail dans le volume du déplaceur 19a. Lorsque le cylindre 6' était parvenu en fm de compression isotherme, la soupape 10b' avait été fermée et la soupape 1Oc' avait été ouverte, puis le cylindre 6' a détendu le fluide du déplaceur 19c'. Lorsque la compression du cylindre 6 s'achève, la soupape 10a est fermée. Le déplaceur est donc isolé durant un demi-cycle, durée utilisée par le piston du déplaceur 19a pour chasser le fluide compressé et froid au travers de l'échangeur 9a. Chauffé à volume constant sa pression croit avec la température. Ayant fermé la soupape 10a, la soupape 10b est ouverte mettant en communication le cylindre 6 avec le volume du déplaceur 19b dont le fluide a été chauffé durant le demi-cycle précédent. Un nouveau cycle a commencé. Les connections aux déplaceurs ont été permutées. Nous avions débuté avec les connections 6-19a et 6'-19b avec 19c clos, nous recommençons un cycle avec les connections 6-19b et 6-19c avec 19a clos. Nous venons de décrire un fonctionnement où le déplaceur 19 ajoute son volume au volume de travail 6. Ce fonctionnement est simple mais il a l'inconvénient de ne pas refroidir le fluide compressé contenu dans le volume du déplaceur 19. Il est possible de donner au déplaceur un fonctionnement qui assurera un meilleur comportement isotherme, la compression isotherme est faite en totalité dans le cylindre 6 puis le volume compressé est transféré du volume de travail 6 au volume du déplaceur 19. Le mouvement des pistons étant alors coordonnés de manière à ce que le volume reste constant ou la force de rappel du piston du déplaceur correspond à la pression expulsée, ce qui produit le même comportement lorsque cette pression avoisine la pression de compression. Une variante concernant le positionnement de l'échangeur thermique 9, nous l'avons d'abord mis en série avec le déplaceur 19 puis en parallèle avec lui, consiste à placer l'échangeur 9 dans le volume de travail du déplaceur 19. L'échangeur 9 devient interne. Les mêmes configurations qui viennent d'être décrites sont possibles : avec ou sans soupape 10, en dédoublant les déplaceurs 19...

En référence à la figure 7, le mécanisme représenté ici est le pendant pour le mécanisme à échangeur 9 en parallèle du déplaceur 19 de la variante sans soupape du mécanisme de la figure 5 où le déplaceur 19 et l'échangeur 9 sont en série. C'est par ailleurs une adaptation directe à l'invention d'un mécanisme de type Stirling classique. Le cycle triangulaire n'ayant pas de double isotherme symétrique le mécanisme s'en trouve modifié et adapté à la spécificité du cycle triangulaire. Ainsi le piston déplaceur 49 est beaucoup plus court que dans les moteurs de Stirling et peut être réduit au minimum, une simple membrane. Dans un moteur de Stirling nous avons en fait deux cylindres bout à bout, l'un réalise une compression isotherme à froid alors que le second réalise une détente isotherme chaude. Le déplaceur qui navigue d'un cylindre à l'autre déplace autant qu'il isole les deux parties distinctes. Ici ce n'est pas nécessaire. Ces parties peuvent se chevaucher voire se superposer (figure 6). Néanmoins, pour un usage plus simple de l'échangeur 7 du cylindre 6 il peut être choisi de séparer la partie compression isotherme de la partie détente adiabatique (pour un exemple non limitatif d'un cycle moteur triangulaire pointe en bas) à l'aide d'un piston déplaceur 49 de grande taille comme le font les mécanismes de Stirling pour les cycles du même nom. Le mécanisme comprend un cylindre de travail 6 comprenant un échangeur thermique 7, pouvant être un échangeur interne au volume de travail 18 du cylindre 6, un piston déplaceur 49 avec un échangeur thermique 9 en parallèle du volume 18b balayé par le piston déplaceur 49. En 20 est indiqué le point mort haut du piston 4 du cylindre 6 ainsi que celui du piston déplaceur 49. La ligne 20 marque la séparation des deux volumes 18 et 18b. Les flux correspondant aux quantités de chaleur Qi et Qc échangées correspondent à une description d'un mécanisme moteur de cycle triangulaire pointe en bas, ce qui ne constitue pas une restriction à l'invention. Ainsi que nous l'avons dit le piston déplaceur 49 peut être de dimension très réduite, compte tenu qu'il travaille à pression presque constante, sa fonction est de déplacer le fluide afin de le contraindre à traverser l'échangeur 9. Il peut donc se réduire à une simple membrane. Celle-ci peut être adaptée afin de travailler comme un clapet anti retour afin de pousser le fluide de travail à l'aller puis, au retour, d'être traversé par le fluide de travail et d'éviter à celui-ci de traverser en sens inverse l'échangeur. Les cycles triangulaires étant principalement destinés à travailler avec les gradients de température, il peut être préférable de ne pas contraindre le fluide à traverser l'échangeur 9 en sens inverse. Afin de faciliter cette opération la connexion de l'échangeur 9 au volume 18b peut disposer d'un clapet anti retour imposant une traversée de l'échangeur selon un unique sens. Une autre alternative consiste à donner au mécanisme un conduit parallèle à l'échangeur 9, lui aussi muni d'un clapet anti retour, afin que le transfert du fluide de travail de derrière à devant le piston déplaceur 49 se fasse à travers lui. L'association des clapets anti retour imposent au fluide de travail un circuit unique à sens unique. Enfin, le piston déplaceur 49 peut travailler comme dans les cycles de Stirling, après avoir réalisé l'échange thermique isochore et se retrouver contre le piston 4 il accompagne le piston 4 dans sa détente du fluide de travail. Lorsque le piston déplaceur 49 est de taille importante ce fonctionnement, comme dans les mécanismes de Stirling, permet de séparer les deux cylindres contigus du cycle. Ici le cylindre isotherme du cylindre adiabatique.

La description du fonctionnement du mécanisme moteur à cycle triangulaire pointe en bas selon une variante où le piston déplaceur 49 est constitué d'une membrane faisant office de clapet anti retour. Lors de sa fonction de déplaceur la membrane s'oppose au passage du fluide de travail et le presse à traverser l'échangeur 9, mais lorsque le piston déplaceur 49 retourne à sa place en fond de cylindre, la membrane se décolle et laisse le fluide de travail traverser le piston déplaceur. Il est possible de doté l'échangeur 9 d'une vanne ou d'un clapet anti retour afin de s'assurer que le fluide de travail traverse toujours l'échangeur 9 dans le même sens. Les cycles moteurs et thermiques ainsi que les cycles combinés déjà décrits en référence à la figure 4 s'extrapoleront aisément au fonctionnement qui est décrit ci après : Lorsque le piston 4 est à son point mort haut indiqué par la ligne 20 et que le déplaceur a terminé de chauffer le fluide de travail à volume constant, l'échangeur 7 est désactivé, le piston commence la détente adiabatique du fluide chaud. Parvenu à son point mort bas le fluide est détendu et froid. L'échangeur thermique 7 du cylindre 6 est alors activé. La compression isotherme froide commence. Elle dégage une quantité de chaleur Qi. Lorsque la compression isotherme est achevée le piston 4 marque une pose. Il reste au niveau de la ligne 20. Durant cette pose le piston déplaceur 49 rejoint le piston 4, sa membrane bloque le passage du fluide qui est contraint à traverser l'échangeur 9 où il est chauffé à volume constant. Lorsque le piston déplaceur est parvenu au niveau de la ligne 20 la totalité du fluide a été chauffé. Le piston 4 peut alors commencer la détente adiabatique, l'échangeur 7 a été désactivé. Alors que le piston déplaceur rejoint le fond du cylindre 6 le fluide de travail repousse la membrane du déplaceur et le traverse pour ce détendre dans le volume 18 (il n'est pas nécessaire d'attendre que le piston déplaceur 49 soit revenu à sa place pour commencer la détente adiabatique). Un nouveau cycle commence. En référence à la figure 8, le mécanisme représente un moteur à explosion selon l'invention, donc un mécanisme ouvert. Le piston 4 dont la bielle est schématisée en 5 par des pointillés se déplace dans le cylindre 6 muni d'un échangeur thermique 7 symbolisé par ces ailettes. Les soupapes d'admission et d'échappement sont notées 10 et 11. La bougie 21, pour un moteur essence, déclenchant l'explosion du mélange air combustible peut être associée à un injecteur qui injecte le combustible dans la chambre 18. Selon une réalisation de l'invention de type de moteur Diésel la bougie 21 est alors un injecteur. Après avoir réalisé l'admission d'air frais le piston compresse en isotherme le volume d'air ou de mélange. La compression isotherme dégage une chaleur Qi évacuée par l'échangeur 7 et le fluide caloporteur qu'il utilise, s'il en utilise. Parvenu au point mort haut la bougie, pour un moteur essence, déclenche l'explosion après quoi la détente se fait en adiabatique. Que le cylindre 6 puisse faire tantôt une compression isotherme tantôt une détente adiabatique implique l'usage d'un échangeur 7 commandé durant le cycle moteur, pouvant tantôt être actif tantôt être inhibé, ce en quoi les échangeurs internes au volume de travail ou ceux présentés dans la figure 11 conviennent parfaitement. Après la détente les gaz brûlés sont expulsés et un nouveau cycle commence par l'admission d'air frais. Une variante à l'invention consiste à donner au mécanisme de la figure 8 un cycle combiné 2 en 1. Ce cycle combine le cycle d'un moteur à explosion avec le cycle triangulaire permettant d'exploiter 40 ses pertes thermiques le tout en un unique cycle et mécanisme. A défaut d'une combinaison avec un cycle triangulaire qui pour un moteur à combustion interne demande un taux de compression très élevé, le cycle peut combiner au cycle natif un cycle trapézoïdal extrait du cycle triangulaire. Selon ce cycle combiné 2 en 1 la compression comprend une partie isotherme et une partie adiabatique. Elles peuvent être séquentielles ou elles peuvent être confondues, durant cette phase de compression l'échangeur 7 prélève à l'air ou au mélange une quantité de chaleur Qi nécessaire au cycle combiné sans autre formalité. Puis c'est l'explosion que la température chaude des gaz favorisera, suivie de la détente adiabatique. En fin de détente adiabatique les gaz brûlés ont retrouvé une température voisine de la température de l'air en admission lorsque le cycle combiné est un cycle triangulaire, une température plus ou moins supérieure à celle-ci, mais moindre que la température des gaz rejetés par le cycle natif, selon que le cycle trapézoïdal combiné tronque plus ou moins sévèrement le cycle triangulaire dont il est extrait. Une variante à l'invention consiste à combiner soit le cycle triangulaire adapté aux moteurs à explosion (mais pour beaucoup de carburants sa température base est un handicap) soit un cycle déjà combiné essence ou diésel et triangle ou trapézoïdal, avec un cycle de type Carnot. Pour ce faire la compression isotherme est augmentée plus que le cycle triangulaire (ou trapézoïdal) ne le nécessite afin d'insérer une détente isotherme chaude en début de détente. Une manière d'apporter la chaleur nécessaire à la détente isotherme consiste en une injection prolongée de faible quantité de combustible ou en l'injection de brèves et faibles quantités de combustibles qui s'enflamment avec les restants d'oxygène des gaz brulants. Cet apport régulier de combustible permet ainsi d'approcher la détente d'une détente isotherme chaude et donc d'améliorer le rendement moteur. Une partie de son cycle aura un rendement voisin de celui de Carnot le reste de son cycle a le rendement des cycles triangulaires qui, lui, est bien inférieur à celui de Carnot. Nous donnions précédemment les rendements de 0,63 et 0,82 pour ces cycles dans des conditions comparables. Une variante à l'invention, déjà mentionnée, consiste à réaliser une partie de la compression, de préférence la fin de la compression, en adiabatique afin que le mélange soit à une température favorable à son explosion. Cette dernière variante peut se composer avec les variantes énoncées précédemment. Nous pourrions avoir ainsi le cycle admission - compression isotherme froide - compression adiabatique - explosion (essence, diesel, etc.) - détente isotherme chaude (par des injections régulières de combustible, par exemple) - détente adiabatique - expulsion des gaz brulés ; c'est là une manière d'intégrer le cycle triangulaire, le cycle d'un moteur à explosion et un cycle de type Carnot. Le tout formant un cycle combiné plus complexe et plus performant, un cycle combiné 3 en 1. Ce mécanisme à cycle combiné 3 en 1 apporte une alternative séduisante aux moteurs de type Stirling puisqu'ici la partie délicate du cycle, le recyclage de la chaleur après détente isotherme, est éliminée (ou réduite) et remplacée par sa conversion en énergie grâce au cycle triangulaire. Au lieu d'avoir un mécanisme plus complexe et des pertes de rendement dues aux volumes morts introduits, le mécanisme est considérablement simplifié et le recyclage est remplacé par cette composante triangulaire du cycle moteur. Cette composante abaisse le rendement du mécanisme par rapport au rendement théorique de Carnot mais cette perte peut être minorée en augmentant le taux de compression ce qui permet d'augmenter la composante détente isotherme chaude.

Une étape suivante dans l'amélioration du rendement moteur consiste à pratiquer une stratégie de perte thermique recyclée. Mieux que de convertir toute la chaleur en couple moteur, le recyclage de pertes thermiques entretenues consiste un moyen efficace d'accroitre le rendement moteur. Grâce à cette stratégie énergétique il est possible d'espérer voir les moteurs à combustion interne produire un rendement supérieur à celui des moteurs à combustion externe tels que les moteurs de Stirling. Ce qui, à ce jour, est loin d'être le cas. Ces deux stratégies vont en des directions opposées. La première part des cycles de Carnot pour les rapprocher des cycles triangulaires. La seconde part des cycles trapézoïdaux pour les rapprocher des cycles de Carnot. La figure suivante, figure 9, montre l'adaptation des moteurs à circuit fermé (figures 4, 5, 6 et 7) à ce type de motorisation à combustion interne. Seuls les mécanismes correspondant à le figure 4 et 6 (mécanisme isobare et isochore) sont représentés ci après, son extension aux autres mécanismes se déduit simplement de cette description. En référence à la figure 9, le dispositif représente la variante du mécanisme de la figure 4, travaillant en isobare, adapté en moteur à combustion interne. Cette motorisation introduit une stratégie de perte thermique recyclée qui est un moyen efficace d'améliorer le rendement moteur. Cette stratégie consiste à concevoir un mécanisme de rendement détérioré qui rejette de la chaleur dans ses gaz d'échappement. Cette chaleur est recyclée et réinjectée dans le cycle moteur. De cette manière la chaleur de basse température dont le rendement de conversion dynamique est faible n'est pas convertie en couple mais elle est recyclée de cycle en cycle économisant ainsi au moteur la consommation d'une énergie peu rentable. De cette manière la chaleur consommée par le moteur est une chaleur à haute température pour laquelle le rendement dynamique et le rendement sur le segment de températures élevées exploité sont bien meilleurs. Une variante de ce recyclage consiste à produire un recyclage mécanique et non plus thermique. Elle correspond aux cycles combinés dans lesquels la compression isotherme s'achève en adiabatique (combinaison cycle de Beau de Rochas ou Diesel au cycle triangulaire ou trapézoïdal). Le préchauffage n'est plus le fait du recyclage thermique mais de la compression adiabatique laquelle correspond à une partie de la détente adiabatique du mécanisme. De cette manière les problèmes d'échanges thermiques isochores et isobares sont résolus mais la différence de détente due au gamma réduit par la combustion est accrue. Cette solution est moins séduisante car elle est moins souple que le recyclage à partir de cycle trapézoïdaux et elle alourdit le mécanisme par des compressions et détentes qui se neutralisent donc sans profit énergétique direct sinon un meilleur rendement moteur. Par contre elle assure une température minimale résultant de la compression quelque soit l'état du mécanisme, en particulier au démarrage. Du fait de l'encombrement de la culasse le schéma est simplifié. Les échangeurs et les conduits sont 35 symbolisés par des traits. Le mécanisme comprend un cylindre de travail 6 disposant d'un échangeur thermique 7 pouvant être activé et désactivé, un piston 4 et sa bielle 5. Le cylindre 6 dispose d'une bougie ou d'un injecteur qui sont représentés en 21, de soupapes et clapets 10, 11, 12 et 13 contrôlant les flux d'air ou de mélange et de gaz brulés. Le cylindre 6 est relié au circuit thermique 15 qui comprend un 40 réservoir optionnel servant autant de réservoir que le moyen de lissage de la pression du circuit 15, et un échangeur thermique 9. L'air suit le flux 16a (l'admission), 16 (le recyclage thermique ou préchauffage), 16e (l'échappement). Les gaz brulés avant d'être définitivement expulsés cèdent leur chaleur résiduelle dans un échangeur 17. Les deux cycles privilégiés sont un cycle trapézoïdal dont la chaleur résiduelle est recyclée et contribue à donner au mélange une température favorisant l'explosion et un cycle combiné trapézoïdal et de type Carnot pour lequel une première partie de la détente est accomplie selon une détente approchant l'isotherme chaude pour s'achever en adiabatique selon la composante trapézoïdale. Le mécanisme travaille comme suit : l'air ou le mélange provenant des organes antérieurs (filtre à air ou carburateur ou turbo), flux 16a, est admis dans le cylindre 6. La soupape 12 est ouverte, l'échangeur 7 est activé. Lorsque le piston 4 commence la compression isotherme les soupapes sont fermées. L'échangeur thermique 7 évacue une quantité de chaleur Qi correspondant à la compression isotherme. Parvenu contre la culasse l'air ou le mélange froid et compressé est expulsé dans le circuit 15, le clapet 11 s'étant ouvert à la surpression (du fait que même la combustion diésel accroit la pression 11 sera une soupape et non un simple clapet). Le flux 16 d'air frais traverse l'échangeur 9 où il reçoit une quantité de chaleur Qc. Cette quantité de chaleur peut être égale à Qr, la chaleur recyclée des gaz expulsés, mais elle peut être complétée par une autre source d'énergie ou une combustion externe. La chaleur prise par l'air au travers de l'échangeur 9 ne consomme pas de son oxygène. Celle-ci est en quantité limité et peut être mieux exploitée durant la combustion que pour le chauffage aux basses ou moyennes températures qui s'obtiennent simplement par une combustion externe, par exemple. L'air chaud et dilaté parvient en admission, la soupape 10 est ouverte. Le volume à admettre atteint, la soupape 10 est fermée. Afin de mieux contrôler cette opération précise il peut être choisi de donner un embiellage particulier au mécanisme, il ralentira la course du piston durant l'admission ce qui permettra d'être plus précis. Avant la détente des gaz, le combustible est injecté et il est allumé par la bougie 21, lorsqu'il s'agit d'un moteur de type essence. Une autre manière de procéder consiste à produire une longue combustion à pression constante tandis que l'admission de l'air préchauffé s'accomplit. Le cycle peut être trapézoïdal ou être combiné, trapézoïdal et Ericsson. Dans le premier cas après l'explosion les gaz brulés sont détendus en adiabatique. L'échangeur 7 est désactivé. Dans le second cas une première partie de la détente est de type isotherme chaude. Pour cela le mécanisme peut procéder par une longue injection de faible quantité de combustible qui produira une combustion lente et longue après le premier embrasement qui a porté les gaz à une température élevée. Cette combustion lente et longue produira une détente s'approchant d'une détente isotherme haute température. Une autre méthode consiste à procéder par de brèves injections de carburant répétées dont la combustion permettra d'approcher de la détente isotherme chaude. Puis la détente s'achève en adiabatique afin d'abaisser la température des gaz. Ce qui est meilleur pour le mécanisme, ils n'aiment pas les hautes températures, par ailleurs une plus faible quantité de chaleur à manipuler produit moins de pertes, mais également une température plus basse du cylindre 6 après détente épargnera des pertes thermiques avec l'activation de l'échangeur 7 avant le début de la compression isotherme froide. La détente achevée la soupape 13 est ouverte et les gaz brulés encore chauds sont expulsés. Ceux-ci traversent l'échangeur 17 où ils cèdent leur chaleur résiduelle Qr avant d'être rejetés, flux 16e. La chaleur résiduelle Qr est affectée à l'air frais dans l'échangeur 9. Tous deux travaillent à pression constante, il n'y a donc pas de pertes théoriques. Le moteur produit des pertes thermiques puisque le même cylindre travaille en isotherme froide et en détente chaude. Durant l'admission de l'air frais l'échangeur 7 s'emploie à refroidir les parois du cylindre 6 que les gaz brulés avaient laissées chaudes. L'avantage de cet inconvénient est de garder un refroidissement régulier des parois du cylindre 6 ce qui est un avantage d'un point de vue mécanique. Un avantage de ce mécanisme sur les moteurs à explosion classique est que la totalité des gaz brulés est expulsé et que l'air admis est pur, sans mélange à des résidus des combustions antérieures. Ainsi non seulement il n'est pas chauffé inutilement par le volume mort de gaz brulé mais l'air comprimé dispose donc d'un meilleur taux d'oxygène ce qui est très appréciable car elle permet de réaliser des combustions lentes à haute température. Selon des variantes à l'invention l'échangeur 9 peut être associé à une chambre à combustion, celle-ci est placée de préférence dans le circuit thermique 15 après l'échangeur 9 et avant la soupape d'admission 10 d'air ou de gaz chaud. Cette variante peut être également disposer des éléments d'injection ou d'allumage 21 qui permette de réaliser une première partie de détente de type isotherme à haute température. Selon une variante à l'invention le mécanisme ne dispose pas d'échangeur 17, l'échappement est direct, mais un dispositif tel qu'un embiellage donne un temps d'arrêt au piston 4 à son point mort bas de sorte que l'échangeur 7 du cylindre de travail 6 recycle la chaleur résiduelle Qr. Cette chaleur est prélevée à volume constant ce qui assure de pouvoir la recycler à pression constante grâce à l'échangeur 9 quelque soit le mode de fonctionnement du moteur (essence ou diésel). Par ailleurs cette variante, si elle ralentit la vitesse de rotation du mécanisme, permet de refroidir et le gaz contenu et les parois du cylindre et d'en recycler la chaleur.

En référence à la figure 10, le dispositif représente l'adaptation du mécanisme de la figure 6 en moteur à combustion interne. Le moteur dispose d'une stratégie de pertes thermiques recyclées. Les variantes de la figure 6 se retrouvent ici aussi. Il est possible de ne pas utiliser de soupape 12 et l'embiellage du mécanisme donne au piston un temps d'arrêt en position haute afin de réaliser l'échauffement en isochore. Il est possible d'ajouter un déplaceur 19 et l'ensemble de son dispositif, à chaque cylindre 6 ou pour un groupe de cylindres 6 déphasés. Le moteur comprend les mêmes organes que précédemment, un cylindre de travail 6 disposant d'un échangeur 7 tantôt actif tantôt inhibé, des soupapes 10, 12 et 13, un échangeur thermique 17 recyclant la chaleur résiduelle Qr des gaz brulés expulsés, plus un déplaceur 19 ayant un piston 4 et sa bielle 5. Le déplaceur a en parallèle un échangeur thermique 9 et dispose d'une bougie ou d'un injecteur 21. Eventuellement le cylindre du déplaceur 19 peut disposer d'une soupape 11 permettant l'admission d'air frais selon le flux 16a du dessin, du coté de son piston 4. Cet ajout potentiel permet une meilleure gestion de l'air admis et des gaz rejetés tout en offrant une réduction des pertes de charge lors de l'admission en donnant une entrée supplémentaire qui ne surcharge pas la culasse. Mais son principal intérêt est de permettre que la totalité du flux traité à chaque cycle est pur et frais. Ainsi le taux d'oxygène est maximal et les pertes thermiques dues au mélange des gaz brulés du volume mort à l'air frais admis sont évitées. Le commentaire de la figure 6 prenait l'exemple d'un mécanisme associant deux cylindres 6 à trois déplaceurs 19, afin de changer les illustrations des variantes possibles nous considérons ici le cas où chaque cylindre 6 dispose de deux déplaceurs 19. Nous les noterons 19a et 19b. Le post fixe `a' ou `b' est ajouté à chaque organe lié au déplaceur. Le travail de ce mécanisme selon un fonctionnement isochore pour un cycle moteur triangulaire à pointe en bas est le suivant : En début de cycle le piston 4 du cylindre 6 est à son point mort haut contre la culasse. Selon des variantes soit la totalité des gaz brulés ont été expulsés, soit il reste l'équivalent du volume mort contenu dans le volume du déplaceur 19. L'échangeur 7 est activé, la soupape 12 est ouverte. Après l'admission la soupape l0a est ouverte mettant en communication le volume du cylindre 6 avec le volume interne du déplaceur 19a. Le piston compresse en isotherme l'air (le mélange) admis. L'échangeur 7 évacue une quantité de chaleur Qi. Le piston étant parvenu à son point mort haut, la soupape l0a est fermée, la soupape 10b est ouverte et met en communication le contenu du déplaceur 19b où vient d'avoir lieu l'explosion et l'accroissement de pression qui lui est lié. Le déplaceur 19a dispose de la durée d'un cycle complet pour réaliser le préchauffage isochore puis l'explosion. Il sera souhaitable de produire l'explosion au meilleur moment. La déclencher trop tôt pourrait produire des pertes thermiques inutiles. Le piston 4 du cylindre de travail 6 commence la détente. Celle-ci peut être adiabatique ou comporter une première partie isotherme chaude, dans ce cas la culasse dispose des organes 21 nécessaires (injecteur) afm de procéder à une combustion prolongée ou à une succession de brèves combustions. Puis, la fin de la détente est achevée en adiabatique. En fin de détente la soupape 10 est ouverte et le piston expulse les gaz brulés détendus. Deux possibilités s'offrent à nous, soit le volume du déplaceur 19 est un volume mort soit son piston 4 expulse les gaz brulés tout en réalisant l'admission sur son coté opposé (flèche 16a). Considérons la seconde variante, durant l'expulsion le piston 4b du déplaceur 19b chasse les gaz brulés dans le cylindre 6 tout en réalisant l'admission d'air frais dans le volume arrière du déplaceur 19b. Les pressions sont assez semblables coté gaz brulé et coté admission. Lorsque l'expulsion est terminée le volume du déplaceur 19b est plein d'air frais, la soupape 10 est fermée, la soupape 12 est ouverte. Un nouveau cycle commence. Dans ce cas l'admission ne bénéficie pas d'un point d'entrée supplémentaire, pour en tirer bénéfice la soupape 10 doit rester ouverte durant l'admission (ouverture de la soupape 12) et le piston 4 du déplaceur ne doit pas faire obstacle au passage de l'air (le mélange) admis. Ainsi les deux flux 16a contribuent à l'admission du volume de travail 6. Selon ce mode de gestion des volumes internes aux déplaceurs 19 chaque déplacement de leur piston 4 est fonctionnel. Lorsque le piston du déplaceur va vers l'injecteur 21 il expulse les gaz détendus et admet sur son revers l'air frais. Lorsqu'il revient en fond de cylindre il accomplit le déplacement de l'air au travers de l'échangeur 9 où il est préchauffé en isochore lorsqu'il est isolé et fermé. Puis c'est l'explosion. Le mode simple sans expulsion des gaz brulés rencontre les mêmes problèmes d'aller-retour du piston dont une solution consiste à le réduire à une membrane travaillant en clapet anti-retour. Il travaille en déplaceur à l'aller et au retour, qui n'est pas fonctionnel, l'air chaud le traverse afin d'éviter, lorsque c'est utile, de traverser en sens inverse l'échangeur 9.

Selon des variantes, le conduit qui relie le volume du déplaceur à l'échangeur 9 peut être muni d'une vanne ou d'une soupape afin d'éviter l'encrassage de l'échangeur 9 par les suies des gaz brulés. Les mêmes variantes peuvent se conjuguer à la variante sans soupape 10 avec un seul déplaceur 19.

En particulier ce travail en deux temps du piston du déplaceur 19. La variante à la figure 7 est très proche de celle de la figure 6 elle correspond à la variante sans soupape 10. Dans cette configuration où la culasse a disparu, les soupapes et les bougies ou injecteurs sont placés sur le cylindre 6 au niveau de la ligne 20 de point mort haut. Un injecteur ou une bougie 21 peuvent être ajoutés à la culasse du cylindre 6 afin de produire une première partie de détente s'approchant d'une détente isotherme à haute température. Nous remarquerons que ces variantes travaillant en isochore ne peuvent pas exploiter aussi efficacement la stratégie de perte thermique entretenue et recyclée puisque l'échange thermique dans l'échangeur 17 est accompli en isobare alors que le préchauffage dans l'échangeur 9 est accompli en isochore. Il y aura donc une part importante (Cp-Cv) qui ne sera pas recyclée et donc sera perdue. Aussi la variante exposée précédemment selon laquelle la course du piston 4 est suspendue à son point mort bas permettant d'utiliser l'échangeur 7 en tant qu'échangeur thermique afin de refroidir les gaz brulés avant leur expulsion peut être une solution permettant d'avoir des échanges thermiques isochores et donc de limiter les pertes thermiques.

En référence à la figure 11, le dispositif représente une chemise-échangeur pouvant être utile aux mécanismes selon l'invention. Le brevet dont est extraite cette figure porte sur des échangeurs performants. La plupart sont des échangeurs thermiques internes au volume de travail ce qui accroit la puissance de transfert thermique tout en minimisant les pertes thermiques avec le milieu extérieur. Ceux-ci sont donc particulièrement adaptés à l'invention et peuvent être complétés par un échangeur périphérique au volume de travail comme celui-ci. Tous deux permettent de contrôler et de commander les échanges thermiques, un système de commande extérieur gère l'activation et l'inhibition de l'échangeur 7 en contrôlant le flux du fluide caloporteur qui le traverse. La figure 11 représente une chemise 7 qui sert également d'échangeur thermique sur une partie de sa section. Le piston 4 se trouve à l'intérieur de la chemise et le cylindre 6 contenant la chemise 7 entoure celle-ci.

L'un et l'autre ne sont pas représentés mais des flèches indiquent les emplacements où ils se placent. Lorsque la liaison piston bielle se fait selon un axe 26 les efforts exercés sur le piston via la bielle et le vilebrequin induisent des réactions très fortes qui s'appliquent essentiellement sur les parties 25 de la chemise, parties symétriques à l'axe 26. Les parties 25 de la chemise « parallèles » à l'axe 26 sont épaisses et conçues pour résister aux fortes contraintes mécaniques, alors que les parties 7 de la chemise « perpendiculaires » à l'axe 26 sont spécifiquement des échangeurs thermiques. Les échangeurs 7 sont tels que l'épaisseur 22 séparant le fluide caloporteur circulant dans les gorges 24 de la chemise du fluide contenu dans le volume de travail, sur l'autre face, est réduite au minimum vu que les contraintes sont très faibles selon cet axe. Ainsi les échanges thermiques sont optimisés aux différents points de la section du cylindre. Les nervures 23 permettent à la fois de maintenir la forme cylindrique de la chemise que de l'appuyer au cylindre 6 et de transmettre la force de pression due au fluide pressurisé dans le volume de travail, mais elles servent également de capteur et conducteur thermique avec le fluide caloporteur circulant entre les gorges 24 et le cylindre 6, conduisant la chaleur du fluide vers la surface d'échange 22. Cette conduction de la chaleur vers la surface d'échange peut être améliorée grâces aux techniques utilisées dans les procédés caloduc. Les nervures 23 peuvent être rendues solidaires aux extrémités de la chemise par des épaisseurs les unissant mais également en quelques parties intermédiaires de manière à améliorer les performances mécaniques de l'ensemble. La profondeur des gorges qui, ici, est représentée constante peut être variable. En effet les forces qui s'exercent sur la section du segment ne suivent pas un Dirac mais sont continument croissantes et décroissantes, minimales au voisinage de 26 et maximales au voisinage de 25. De ce fait l'épaisseur optimale pour les échanges thermiques et donc minimale en termes d'épaisseur, est variable selon l'angle entre le point considéré sur la circonférence de la chemise et l'axe 26. De plus une telle approche donnera un meilleur comportement à la chemise selon les variations de température. Pour cette raison il pourra être choisi de munir toute la section de gorges afm que les différences de dilatation entre les parties épaisses et les parties fines, les parties chaudes et les parties froides s'estompent et s'uniformisent. Un nouvel optimum peut être recherché partant d'un transfert thermique selon toute la section de la chemise au travers d'une section 22 plus importante mais sur la totalité de la surface donc une surface plus grande, tout en valorisant un comportement uniforme de la chemise-échangeur thermique. Alors la largeur des gorges 24 ainsi que l'épaisseur des nervures 23 par lesquelles les efforts sont transmis au cylindre 6 sur lequel elles s'appuient peuvent être adaptées afin de trouver un optimum selon l'angle et selon les contraintes qui lui sont associé. Les agencements des nervures 23 de même que leur forme et orientation peuvent différer. Elles peuvent être obliques, circulaires,... ne plus être que des « points » d'appui constitués de protubérances cylindriques réparties sur la surface de l'échangeur-chemise, etc.

Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux moteurs thermiques exploitant la chaleur d'un flux de matière (solide, liquide ou gaz) selon un usage rigoureux du cycle triangulaire, en mode intégré il permet de concevoir des moteurs thermiques à cycle combiné 2 en 1 voire 3 en 1. Le dispositif sera particulièrement destiné aux moteurs à explosion en leur conférant des cycles combinés ainsi qu'une aptitude à recycler la chaleur résiduelle. Selon les cycles thermiques le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné au chauffage ou réfrigération de flux de matière, il permet également la conversion optimale de la chaleur d'un flux de matière (chaude ou froide) en une source thermique à température constante (chaude ou froide) de même valeur. C'est-à-dire, si par exemple nous disposons d'une source froide à 18° l'invention en tant que climatiseur offre une efficacité supérieure aux techniques traditionnelles afin de climatiser un immeuble dès 18°. De même si nous disposons d'une source chaude à 150°, l'invention permet de faire fonctionner une turbine à vapeur dès 150° avec une efficacité optimale. Ceci est un usage opportuniste permettant de valoriser les installations existantes, car le dispositif selon l'invention en mode moteur de cycle triangulaire pointe en bas est optimal pour ce type de conversion et beaucoup plus simple. Notons qu'un moteur thermique peut optimiser sa source froide afin d'améliorer son rendement, surtout lorsque celle-ci consiste en un flux de matière froide en quantité limitée.

Claims

REVENDICATIONS1) Dispositif mécanique permettant d'accomplir successivement soit une compression (respectivement une détente) isotherme d'un fluide de travail, suivie d'un échauffement ou refroidissement du fluide de travail et enfin d'une détente (respectivement une compression) adiabatique du fluide de travail (cycles triangulaires moteurs), soit une compression (respectivement détente) adiabatique d'un fluide de travail, suivie d'un échauffement ou refroidissement du fluide de travail suivie d'une détente (respectivement compression) isotherme du fluide de travail (cycles triangulaires thermiques), soit une compression (respectivement une détente) isotherme d'un fluide de travail, suivie de l'échauffement ou refroidissement principal du fluide de travail, suivie d'une détente (respectivement une compression) adiabatique et enfin d'un refroidissement ou réchauffement du fluide de travail de moindre importance par rapport au premier (cycles trapézoïdaux moteurs), soit une compression (respectivement une détente) adiabatique d'un fluide de travail, suivie de l'échauffement ou refroidissement principal du fluide de travail, suivie d'une détente (respectivement compression) isotherme du fluide de travail et d'un refroidissement ou réchauffement du fluide de travail de moindre importance (cycles trapézoïdaux thermiques) caractérisé en ce que les travaux isothermes et adiabatiques sont accomplis dans un même volume de travail 6, que ce volume de travail dispose d'un ou plusieurs échangeur thermique 7 pouvant être activé ou inhibé et qu'en circuit fermé à la fin du cycle triangulaire (adiabatique, échange thermique et isotherme selon l'agencement propre au triangle) ou du cycle trapézoïdal (triangle modifié) le fluide de travail se trouve être dans l'état initial et qu'en circuit ouvert l'état final (expulsion) est voisin de l'état initial (admission).
2) Dispositif mécanique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il exploite l'énergie solaire, géothermale, thermique véhiculée par un flux ou une masse de matière (gaz -dont les gaz brûlés rejetés par un procédé industriel ou moteur-, liquide ou solide), d'un combustible fossile ou recyclable, d'un accumulateur thermique, que l'énergie thermique exploitée est ou chaude ou froide ou qu'il exploite plusieurs de ces énergies simultanément ou alternativement.
3) Dispositif mécanique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il dispose d'un échangeur thermique 9 relié au volume de travail 6, que l'échangeur 9 peut être associé à un réservoir 14 sur le circuit thermique 15, ou que l'échangeur 9 est associé en série à un déplaceur 19 sur le circuit 15 ou que un ou plusieurs échangeurs 9 qui peuvent disposer de vanne ou de clapet anti retour est associé en parallèle à un déplaceur 19 ou que l'échangeur 9 est un échangeur interne ou périphérique au volume de travail du déplaceur 19 lequel est relié au volume de travail 6, ou que l'échangeur thermique 9 est remplacé par une chambre à combustion, ou associé à une chambre à combustion, que les connexions entre ces éléments et le volume de travail 6 peuvent être contrôlées par des soupapes ou des clapets ou des vannes.
4) Dispositif mécanique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'échangeur 7 du cylindre de travail 6 réalise l'échange thermique de moindre importance des cycles trapézoïdaux, ou que la chaleur résiduelle prélevée par l'échangeur 7 contribue à l'échange thermique dans l'échangeur 9 (préchauffage du fluide de travail, pour un cycle moteur), ou qu'une partie du travail de détente (respectivement de compression) adiabatique du cycle triangulaire estréalisé en isotherme par un second usage de l'échangeur 7 selon un travail endothermique (respectivement exothermique).
5) Dispositif mécanique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un mécanisme permettant de suspendre le mouvement de la pièce dynamique 4 durant le 5 cycle ou de la ralentir, ce dispositif peut être un embiellage spécifique pour les mécanismes à piston-bielle-vilebrequin.
6) Dispositif mécanique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le cycle est un cycle combiné 2 en 1 ou 3 en 1, le cycle triangulaire ou trapézoïdal intègre une composante de cycle de type moteur à explosion (cycle de Beau de Rochas ou Diesel) ou une 10 composante de cycle de type Carnot (cycle de Carnot ou Stirling ou Ericsson).
7) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le volume de travail 6 dispose sur sa culasse ou à sa périphérie de bougie ou d'injecteur 21 et une admission et un échappement commandés par les soupapes 12 et 13 ou que le volume du déplaceur 19 dispose de bougie et d'injecteur 21. 15
8) Moteur à combustion interne ou externe selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le cycle combiné 2 en 1 ou 3 en 1 intègre une composante de type Carnot dont la première partie de la détente, de type isotherme à haute température, est obtenue par une injection prolongée de faible quantité de carburant ou par une succession de brèves injections de carburant, ou que cette combustion prolongée à haute température est favorisée par l'économie de l'oxygène 20 compressé grâce au préchauffage de l'air ou du mélange dans l'échangeur thermique
9. 9) Dispositif mécanique ouvert selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est obtenu en ajoutant aux mécanismes fermés des revendications précédentes une admission et un échappement et leurs soupapes (12 et 13) au volume de travail 6 ou que l'échappement dispose d'un échangeur thermique 17, ou qu'il est obtenu en ajoutant un échangeur 17 à l'échappement des 25 moteurs à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, ou qu'un dispositif amortit la surpression du fluide expulsé et la transforme en chaleur et qu'il est placé après la soupape 13 sur l'échappement et avant l'échangeur optionnel 17 ou intégré à l'échangeur 17, ou que tout ou partie de la chaleur résiduelle Qr prélevée par l'échangeur 17 ou l'échangeur 7 contribue au préchauffage du fluide de travail par l'échangeur 9. 30
10) Dispositif mécanique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est constitué d'un mécanisme à piston-bielle-vilebrequin, ou à pistons linéaires, ou à vérins, ou d'un mécanisme rotatif, mécanisme rotatif à piston ou à palettes, de rotation continue ou de rotation alternative ou oscillante, ou en ce qu'il dispose d'un mécanisme de commande électronique dont le calculateur est informé par des capteurs, il gère les périphériques tels que les échangeurs, les 35 soupapes ou vannes, l'injection ou l'allumage grâce à quoi le dispositif mécanique acquiert une adaptabilité aux conditions de fonctionnement changeantes et une optimisation dynamique. 40