FR2963644A1

FR2963644A1 - Moteur a cycle triangulaire ou trapezoidal ou a cycle combine 2 en 1 ou 3 en 1, mecanisme thermique optimal pour la conversion d'un flux thermique en une source thermique de meme temperature constante

Info

Publication number: FR2963644A1
Application number: FR1003295A
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

Les moteurs selon l'invention sont ceux réalisant le cycle triangulaire original, ils réalisent une compression isotherme, un échauffement puis une détente adiabatique, leur rendement médiocre est cependant optimal pour toutes les sources thermiques constituées d'un flux de matière (gaz brûlés chauds, géothermie,.), de ce fait le second groupe des moteurs selon l'invention concerne les moteurs de cycle combiné 2 en 1 ou 3 en 1. Ces moteurs se caractérisent par le fait qu'ils intègrent dans leur cycle initial (moteur essence, diesel, turbine à gaz, turboréacteur,...) une composante triangulaire, composante correspondant au moteur triangulaire qui exploiterait la chaleur perdue dans leur échappement. Ces moteurs permettent de réaliser des stratégies de perte thermique entretenue et recyclée qui accroissement considérablement le rendement moteur. Les moteurs à combustion interne gagnent également par une stratégie d'économie d'oxygène associée à une combustion prolongée. Les mécanismes thermiques selon l'invention réalisent selon l'un des cycles triangulaires pointe en haut ou pointe en bas (la pointe du triangle étant la partie où l'adiabatique et l'isotherme se rejoignent) des pompes à chaleur, des mécanismes frigorifiques ou cryogéniques plus efficaces que les mécanismes traditionnels pour des travaux thermiques sur des flux de matière (chaine de congélation,.), ces mécanismes thermiques sont optimaux pour la conversion d'un flux de matière en source thermique de température constante (en géothermie).

Description

La présente invention concerne un mécanisme permettant de transformer la chaleur en énergie mécanique. Ce mécanisme convient parfaitement à l'exploitation des résidus thermiques des moteurs à combustion interne en usage à ce jour et par extension constitue une amélioration des moteurs thermiques en intégrant à leur cycle une composante du cycle de l'invention. 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 matière ou 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'un flux ou d'une masse de matière à une température donnée, et que nous cherchions 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 fermé 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 l 0 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 15 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 20 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. 25 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 30 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 35 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 40 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(Tc/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, l'ordre des rendements des cycles triangulaires donnés ci-dessus s'inversent. Alors le cycle moteur triangulaire pointe en haut a un rendement optimal 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 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 inclut 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.

Les cycles combinés 2 en 1 offrent une optimisation des cycles combinés ainsi qu'une homogénéité et densité aux motorisations, principalement. Le rendement est optimisé pour le cycle natif combiné puisqu'il n'a plus aucune perte thermique supérieure à la température de la source froide. Le système combiné gagne en homogénéité puisque les cycles combinés ne forment qu'un seul cycle et non plus une juxtaposition de cycles de natures différentes comme un moteur Diesel combiné à une turbine à vapeur qui en exploite les pertes thermiques. Les motorisations sont plus denses car elles constituent un unique mécanisme en tout point semblable au mécanisme du cycle natif. Seul le cycle est modifié et si l'intégration des cycles combinés peut induire une augmentation de poids ou de volume dans certaines configurations elle n'est en rien comparable avec les contraintes lourdes des cycles combinés traditionnels.

Tous les cycles à combustion interne peuvent être combinés à un cycle triangulaire ou trapézoïdal qui leur correspond. Nous pouvons citer les cycles de Beau de Rochas, Diesel, turbine et turboréacteur, tous partagent la même caractéristique un cycle qui se compose d'une compression adiabatique, d'une combustion et pour finir une détente adiabatique. Leurs combinaisons sont donc similaires et se caractérisent par une compression en partie isotherme et en partie adiabatique ou une compression refroidie, suivie par la combustion et une détente adiabatique. Toutes procurent une

amélioration du rendement du cycle natif Certains cycles combinés n'améliorent pas le rendement du cycle natif, mais celui du cycle triangulaire ou trapézoïdal, il s'agit de la combinaison d'un cycle triangulaire ou trapézoïdal à un cycle de type Carnot (cycle de Carnot, Stirling ou Ericsson). Un telle combinaison dégrade le rendement du cycle de Carnot mais apporte deux avantages. Le premier avantage est de supprimer, intégré à un cycle triangulaire, la contrainte de recycler à chaque phase du cycle de grande quantité de chaleur et sinon d'en réduire la quantité et l'intensité (température abaissée) lorsque le cycle intègre un cycle trapézoïdal. Le second avantage tient à ce dernier point, il permet de réaliser des portions de cycle de type Carnot qui seraient inaccessibles en tant que machine de Carnot (au sens large) en raison des contraintes mécaniques résultant des températures très élevées. Donc, dont le rendement idéal resterait inaccessible. La perte de rendement est alors très relative et très théorique, le mécanisme selon ces variantes à l'invention apporte une franche amélioration du rendement moteur en rendant accessibles des cycles à des températures qui étaient irréalisables. Notons que les cycles moteurs combinés 2 en 1 ou 3 en 1 ne sont pas sans intérêt lorsque nous les considérons en mécanismes thermiques selon une inversion du cycle moteur. Si les cycles à combustion interne se caractérisent par des adiabatiques, les cycles de Carnot se caractérisent par des cycles composés de deux isothermes, une compression et une détente isothermes. La combinaison des premiers agira donc sur l'isotherme du cycle triangulaire (ou trapézoïdal) laquelle intègrera une composante adiabatique. La combinaison des cycles de Carnot agira sur l'adiabatique du cycle triangulaire qui intègrera une composante isotherme. En combinant les deux nous obtenons un cycle combiné 3 en 1 pour lequel la compression et la détente sont en partie isotherme et en partie adiabatique. Au cycle triangulaire (ou trapézoïdal) est intégré un cycle de type combustion interne (Diesel, par exemple) et un cycle de type Carnot (Stirling ou Ericsson, par exemple).

L'usage de compresseurs et de turbocompresseur n'est pas nouveau dans l'industrie automobile. Cependant l'usage qu'il en 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 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. Il existe deux familles de combinaison des cycles, la combinaison en série (objet de ce brevet) et la combinaison en parallèle. La combinaison en série est la plus naturelle, elle consiste à faire subir séquentiellement toutes les étapes du cycle combiné au flux du fluide de travail. Par exemple dans un moteur à explosion la totalité du flux d'air sera compressé en isotherme (composante du cycle triangulaire) puis compressé en adiabatique (composante du cycle natif, essence ou diésel) puis, après explosion, les gaz brulés sont détendus en adiabatique (composante des cycles triangulaire et natif). La combinaison parallèle parallélise les opérations propres à chaque cycle. Ainsi l'exemple précédant selon un mode combiné en parallèle effectue les compressions isotherme et adiabatique en parallèle, Les deux flux compressés sont réunis puis, après l'explosion, les gaz brulés sont détendus en adiabatique, composante commune aux deux cycles triangulaire et natif 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. Le rendement des mécanismes à cycle trapézoïdaux est toujours strictement inférieur au rendement du cycle triangulaire dont ils sont extraits. D'un point de vue graphique, tel que le montrent les courbes PV, l'aire correspondant au travail du cycle trapézoïdal s'inscrit dans l'aire du cycle triangulaire dont il est tiré, il est donc inférieur à celui-ci. L'aire du trapèze est l'aire du triangle initial dont on a ôté un sous triangle correspondant à la pointe du triangle. 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 les raisonnements font généralement intervenir le 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. L'intégration du rendement dynamique sur le cycle complet accompli donne le rendement qui a été présenté page 1. 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. Une amélioration du mécanisme selon l'invention consiste à recycler la quantité de chaleur Qr inexploitée par le mécanisme correspondant à la température Tr (Tc»Tr>Tf). Le coût énergétique de la production de cette chaleur est économisé. Il suffit de chauffer de Tr à Tc et non plus de Tf à Tc. De cette manière le rendement des cycles trapézoïdaux devient supérieur au rendement du cycle triangulaire dont ils sont extraits et, théoriquement, s'approcherait du rendement de Carnot lorsque Tr croit. Théoriquement, le rendement des moteurs à combustion interne devrait, grâce à cette technique, dépasser le rendement des moteurs à combustion externe tels que les moteurs de Stirling. Ces moteurs réaliseront des détentes quasi isothermes à très haute température puis termineront leur détente en adiabatique de manière à ramener la température des gaz brulés détendus à la température Tr que les moteurs à combustion externe sont capables de traiter ou plus bas encore si le rendement de ce recyclage thermique n'est pas satisfaisant. Cette quantité de chaleur est alors recyclée, de cycle en cycle. Le moteur consomme une énergie noble qui lui permet de produire de très hautes températures de combustion donnant un excellent rendement et il compense les pertes dues au recyclage thermique. Cette technique basée sur la stratégie de perte thermique entretenue et recyclée s'applique aux cycles trapézoïdaux ainsi qu'aux cycles combinés 2 en 1 ou 3 en 1. C'est un moyen artificiel d'améliorer le rendement du cycle. Dans la théorie il est possible d'approcher de cette manière le rendement de Carnot pour les très hautes températures que seuls les 40 moteurs à combustion interne sont aptes à atteindre. Ces hautes températures peuvent devenir pénalisantes au fonctionnement simple et efficace des mécanismes. En gagnant en efficacité nous introduisons de nouvelles contraintes. Une grande quantité de chaleur manipulée et recyclée de cycle en cycle avec le meilleur rendement possible. Des contraintes mécaniques sur les éléments mobiles devant travailler à haute température. L'un des points forts du cycle triangulaire et des cycles combinés 2 en 1 est perdu, à savoir le refroidissement naturel du moteur. Les moteurs à explosion traditionnels gaspillent volontairement une énergie conséquente en refroidissant leur moteur par un flux de fluide caloporteur afin de stabiliser la température du moteur au voisinage de 80°C. Le cycle triangulaire et ses combinés n'ont pas ce problème puisque les cylindres sont naturellement refroidis par l'air et les gaz brulés détendus, une partie importante de son cycle est consacré à la compression isotherme basse température et la détente des gaz brûlés ramène ceux-ci à la température d'admission, ce qui refroidit naturellement le cylindre qui les contient. 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 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 tels que des turbines. Ces mécanismes peuvent disposer d'un mécanisme d'embiellage ou d'un dispositif qui permet de prolonger un ou les temps morts, point mort haut ou bas, ou de modifier ou de contrôler le mouvement de la pièce dynamique, le plus souvent ut' piston, afin de lui donner localement un mouvement plus lent ou plus rapide que son mouvement naturel sans ce dispositif. Le mécanisme isotherme peut réaliser une isotherme par morceaux, c'est-à-dire que la compression (détente) est composée de séquences de compression adiabatique suivie de refroidissement (réchauffement). - Les mécanismes selon l'invention peuvent être soit moteur, soit de type pompe à chaleur, soit de 25 type frigorifique ou cryogénique. Ils peuvent être fermés ou ouverts. Moteurs, ils peuvent être à combustion externe ou interne. - Le mécanisme selon l'invention travaille 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 30 détente) isotherme d'un fluide de travail, suivie d'un échauffement ou refroidissement de ce fluide de travail et enfin d'une détente (respectivement une compression) adiabatique du fluide de travail (cycle moteur triangulaire pointe en bas, 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 35 fluide de travail (cycle triangulaire thermique pointe en bas, respectivement, pointe en haut), soit une compression (respectivement une détente) isotherme d'un fluide de travail, suivie d'un échauffement ou refroidissement 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 (cycle moteur trapézoïdal pointe en bas, respectivement, 40 pointe en haut), soit une compression (respectivement une 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 et d'un refroidissement ou réchauffement du fluide de travail de moindre importance par rapport au premier (cycle thermique trapézoïdal pointe en bas, 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 en circuit ouvert l'état final (expulsion) est identique ou voisin de l'état initial (admission) en cycle triangulaire. Le mécanisme peut exploiter une énergie solaire, ou géothermale, ou la chaleur d'origine nucléaire, ou la chaleur d'un flux ou d'une masse de matière homogène ou hétérogène (solide, liquide, gaz -les gaz comprennent les gaz rejetés par un procédé industriel ou un moteur-), ou un combustible fossile ou recyclable, l'hydrogène, ou la chaleur d'un accumulateur thermique, lorsque l'énergie exploitée est thermique celle-ci est ou chaude ou froide. Le mécanisme peut exploiter plusieurs des énergies citées simultanément ou alternativement. - L'intégration du cycle triangulaire ou trapézoïdal au cycle d'une turbine à combustion interne ou d'un turboréacteur ou turbopropulseur, turbine à gaz par exemple, consistera à placer un compresseur isotherme en début de compression ou à refroidir la compression de sorte que la détente des gaz brûlés abaisse la température de ceux-ci au voisinage de la température ambiante. - 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 adaptatif celui-ci peut être constitué d'un calculateur. Le calculateur associé à un ensemble de capteurs l'informant de l'état du mécanisme ainsi que de la consigne apportée (accélération / décélération dans un cadre automobile) commandera les soupapes et le flux de combustible ainsi que les autres organes dont il a la charge tels que les échanges thermiques. Le calculateur peut disposer d'un ou de plusieurs algorithmes correspondant à un ou des cycles, simples ou combinés, ou à différentes stratégies d'optimisation. - Des variantes selon l'invention disposent d'un calculateur, ce calculateur est le mécanisme de commande du dispositif mécanique qui gère les soupapes ou l'injection ou l'allumage ou le/les échangeurs thermiques ou les flux du fluide caloporteur ou les rapports de vitesse ou d'embrayage ou les énergies exploitées (en particulier lorsque le mécanisme est un moteur à combustion interne et externe) ou le démarrage, le calculateur dispose d'un ou de plusieurs algorithmes permettant de gérer et d'optimiser le fonctionnement du mécanisme de manière prédéfinie ou de manière dynamique dans ce but il dispose de capteurs de température, de pression, de position ou de vitesse, ces données internes et externes au mécanisme permettent à son ou ses algorithmes d'adapter leurs consignes en temps réel. - Les échangeurs thermiques utilisés par le mécanisme selon l'invention peuvent être simples mais aussi multiples, constitués de plusieurs échangeurs en série disposant d'un circuit et une gestion des flux de leur fluide caloporteur spécifique à chaque sous élément de l'échangeur. L'échangeur du mécanisme de compression/détente isotherme peut, selon certaines variantes, être ainsi subdivisé. - 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 afm d'en améliorer les performances peuvent ici aussi être appliquées afin d'améliorer leur rendement. - Selon des variantes le dispositif mécanique de cycle trapézoïdal, pointe en haut ou pointe en bas, ou à cycle combiné 2 en 1 ou 3 en 1, selon le cycle du mécanisme pointe en haut ou pointe en bas, moteur ou thermique, ou bien la chaleur Qr non consommée par le mécanisme et prélevée par l'échangeur secondaire 17 est recyclée par le mécanisme et participe à la chaleur Qc transmise au fluide de travail par l'échangeur principal 9 (il s'agit des cycles trapézoïdaux moteurs pointe en bas et des cycles trapézoïdaux thermiques pointe en haut et des cycles qui les combinent), ou bien une partie de la chaleur prélevée Qc par l'échangeur principal 9 sert à chauffer le fluide de travail dans l'échangeur secondaire 17 (ce sont les cycles trapézoïdaux moteurs pointe en haut et thermiques pointe en bas et les cycles qui les combinent), l'échangeur secondaire 17 (l'échangeur secondaire 17 correspond à l'échangeur thermique de moindre importance des deux échanges thermiques, celui que le cycle trapézoïdal introduit, alors que l'échangeur principal 9 correspond à l'échangeur thermique du cycle triangulaire dont est extrait le cycle trapézoïdal) est relié à l'échangeur principal 9 ou à un sous élément de celui-ci, ce lien peut prendre la forme d'une connexion reliant les deux échangeurs par un circuit parcouru par un fluide caloporteur, cette connexion peut être permanente ou être commandée par un mécanisme de commande qui gère les flux, le circuit reliant les deux échangeurs peut comprendre un dispositif de stockage de la chaleur tel qu'un régénérateur, selon des variantes un dispositif comprenant des chicanes peut être placé avant l'échangeur secondaire 17 (cycle trapézoïdal moteur pointe en bas et cycle trapézoïdal thermique pointe en haut) ou avant l'échangeur principal 9 (cycle trapézoïdal thermique pointe en bas et cycle trapézoïdal moteur pointe en haut, le type de cycle détermine la direction du flux du fluide de travail et les discontinuités de pression que rencontre le fluide de travail) afin de faire chuter la pression du fluide de travail à la sortie du mécanisme de détente et de transformer sa surpression en chaleur, cette configuration et le recyclage qu'il permet donne au mécanisme de gagner en rendement lorsqu'il est moteur, en efficacité lorsqu'il est thermique. - Selon des variantes à l'invention le mécanique (mécanisme moteur ou thermique, en circuit fermé ou en circuit ouvert) comprend, en circuit fermé, un compresseur isotherme (respectivement mécanisme de détente isotherme), au moins un échangeur thermique principal (l'ensemble de ces échangeurs constitue et travaille en tant qu'échangeur thermique principal) sur le circuit thermique principal, un mécanisme de détente adiabatique (respectivement compression adiabatique) et d'un circuit de retour ou circuit thermique secondaire, le circuit thermique secondaire peut avoir un ou plusieurs échangeurs secondaires (c'est l'ensemble de ces échangeurs qui constitue l'échangeur secondaire), les compresseur et mécanisme de détente disposent de soupapes, vannes ou clapets associés à un mécanisme de commande ordonnant leur ouverture et fermeture, l'admission du mécanisme isotherme est connecté à l'échappement du mécanisme adiabatique et l'admission du mécanisme adiabatique est connecté à l'échappement du mécanisme isotherme via les circuits thermique principal et circuit retour ou thermique secondaire (ces éléments forment un circuit fermé) ; en mode moteur l'échappement de l'élément isotherme correspond à l'admission de l'élément adiabatique via le circuit thermique principal et l'admission de l'élément isotherme correspond à l'échappement de l'élément adiabatique via le circuit thermique secondaire, en mode thermique l'échappement de l'élément isotherme correspond à d'admission de l'élément adiabatique via le circuit thermique secondaire et l'admission de l'élément isotherme correspond à l'échappement de l'élément adiabatique via le circuit thermique principal, en circuit ouvert le mécanisme est celui du mécanisme en circuit fermé pour lequel l'ouverture du circuit fermé du mécanisme fermé précédent est faite comme suit : si le mécanisme est à cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas le circuit thermique secondaire est ouvert coté élément isotherme, l'échangeur secondaire (optionnel) est relié à l'élément adiabatique, l'admission et l'échappement du mécanisme sont faits directement d'un coté et par l'échangeur secondaire de l'autre (l'échangeur secondaire est l'échappement du mécanisme moteur et est l'admission du mécanisme thermique), si le mécanisme est à cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en haut alors le circuit thermique principal est ouvert coté élément adiabatique, l'échangeur principal est lié à l'élément isotherme, l'admission et l'échappement du mécanisme sont faits directement coté élément adiabatique et l'échangeur principal (l'échangeur principal est l'échappement du mécanisme moteur et l'admission du mécanisme thermique). Il est possible d'accroître le rendement ou l'efficacité du mécanisme en recyclant la chaleur inexploitée des basses températures. Le mécanisme fermé ou ouvert peut avoir l'échangeur secondaire connecté à l'échangeur principal ou un sous élément de celui-ci afin de recycler la chaleur, qu'elle soit retirée ou transmise au flux de fluide de travail traversant l'échangeur secondaire (selon les cycles moteur / thermique, pointe en bas / pointe en haut). En mode moteur cycle trapézoïdal pointe en bas la chaleur prélevée par l'échangeur secondaire sert à préchauffer le fluide de travail par l'échangeur principal. En mode thermique cycle trapézoïdal pointe en bas l'échangeur principal prélève la chaleur du fluide de travail qu'il refroidit, la partie basse température sert à préchauffer le fluide de travail par l'échangeur secondaire avant d'être admis dans le compresseur adiabatique. En mode moteur cycle trapézoïdal pointe en haut, le fluide de travail est surchauffé après la compression adiabatique avec la chaleur, partie haute température, prélevée au fluide de travail par l'échangeur principal après la détente isotherme haute température. En mode thermique cycle trapézoïdal pointe en haut, la chaleur haute température prélevée par l'échangeur secondaire après la compression isotherme haute température est recyclée par l'échangeur principal dans sa seconde partie de préchauffage du fluide de travail avant la compression isotherme haute température. Les mêmes recyclages sont possibles pour les mécanismes à cycle combiné lorsqu'ils intègrent un cycle trapézoïdal au cycle natif. - Selon des variantes à l'invention, le moteur à combustion interne ou externe est obtenu en remplaçant l'échangeur 9 par une chambre à combustion 20 ou en ajoutant une chambre à combustion 20 à l'échangeur 9, ou le mécanisme de détente adiabatique 8 ou 8d dispose de bougie ou d'injecteur 21 permettant d'embraser un carburant, ou le mécanisme de détente adiabatique 8 ou 8d après la chambre à combustion 20 est une tuyère (le moteur est alors un turboréacteur le mécanisme 8 ou 8d, sa tuyère, ne produit pas un couple moteur mais une poussée grâce à laquelle l'aéronef est propulsé ; le même bénéfice que pour les moteurs à explosion devrait se retrouver en terme de poussée et de rendement sur ces turbo réacteurs à cycle combiné 2 en 1), ou le mécanisme de détente adiabatique 8 ou 8d dispose d'un échangeur thermique lui permettant de réaliser un début de détente isotherme chaude ; ainsi un moteur de cette facture qui cumule un échangeur 9 et une chambre à combustion 20 peut avoir cette architecture : un compresseur isotherme 6 muni d'une soupape d'admission 10 (qui correspond à l'admission du moteur, elle provient du filtre à air ou du carburateur, les organes situés en amont) et une soupape d'échappement 11 ouvrant sur le volume dd circuit thermique principal 25, le circuitthermiquc princ aL25nomprend zomprendlm échangeur thermique 9 et une chambre à combustion 20, l'autre extrémité du circuit 25 est reliée à l'admission du mécanisme de détente adiabatique 8, l'admission du mécanisme de détente adiabatique est contrôlée par la soupape 12, l'échappement du mécanisme de détente adiabatique 8 est contrôlée par la soupape 13 et donne sur un échangeur 17 qui correspond à l'échappement du moteur, la chaleur Qr rejetée par les gaz brulés détendus (cycle trapézoïdal) est recyclée grâce à l'échangeur 17 lequel est connecté à l'échangeur 9. La chaleur Qr contribue à préchauffer l'air frais compressé issu du compresseur isotherme 6 et favorise la combustion. - Selon des variantes à l'invention le mécanisme moteur à combustion dispose d'un échangeur permettant de chauffer les gaz avant ou après la combustion ou le mécanisme procède par une longue injection de faible quantité de combustible ou par de brèves injections de combustible de manière à produire une première partie de détente de type isotherme à haute température grâce à quoi il réalise un cycle combiné 2 en l ou 3 en 1. Le moteur peut être à combustion interne et externe afin que par la combustion externe la température de l'air compressé soit élevée tout en économisant l'oxygène qu'il contient réservant celui-ci pour un usage plus efficace tel que la combustion lente à très haute température. - Des variantes à l'invention de type, moteur ou thermique, en circuit ouvert ou en circuit fermé, de cycle triangulaire ou trapézoïdal dont le cycle est combiné à un ou plusieurs cycles natifs, les cycles natifs peuvent être les cycles de Beau de Rochas, Diesel, turbine à gaz, turbopropulseur, turboréacteur ou de type Carnot (cycle de Carnot, Stirling ou Ericsson). Il résulte de cette combinaison des cycles que l'élément isotherme 6 a une composante adiabatique ou que l'élément adiabatique 8 a une composante isotherme. Cette composition des détentes (respectivement compressions) isotherme et adiabatique est obtenue soit par l'association de deux mécanismes de détente (respectivement compression) spécialisés soit par un seul mécanisme gérant l'un puis l'autre (isotherme/adiabatique) ou un mélange confondant isotherme et adiabatique de sorte que le dispositif produise des cycles combinés 2 en 1 ou 3 en 1. Selon des variantes, lorsque la composition est accomplie par deux mécanismes spécialisés isotherme et adiabatique, un échangeur thermique peut être introduit entre les deux mécanismes. Pour un moteur triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas à combustion interne ou externe, la combinaison à un cycle tel que de Beau de Rochas ou Diesel correspond à la modification de la compression isotherme du cycle triangulaire en une compression en partie isotherme et en partie adiabatique et la combinaison à un cycle de type Carnot correspond à la modification de la détente adiabatique du cycle triangulaire en une détente en partie isotherme et en partie adiabatique. La modification de ces composantes de compression ou de détente peut être accomplie soit par un même mécanisme accomplissant l'une puis l'autre ou l'une et l'autre confusément, par exemple la compression n'est ni isotherme ni adiabatique mais elle est refroidie de sorte qu'au final le travail correspond à celui d'une isotherme associée à une adiabatique, soit la compression (6 par exemple) ou la détente (8 ou 8d) modifiée est (sont) accomplie(s) par deux mécanismes spécialisés (6a et 6b ou 8a et 8b) dont l'un est isotherme (6a ou 8a) et l'autre adiabatique (6b ou 8b). Les cycles combinés 3 en 1 ont la compression et la détente en partie isotherme et en partie adiabatique. - Le mécanisme selon l'invention peut comporter une association de plusieurs éléments tels qu'ils ont été décrits dans ce brevet. Ils peuvent partager certains composants communs, comme, à titre d'exemple non limitatif, des régénérateurs, échangeurs, déplaceur, tête de bruleur, mécanisme de commande, vilebrequin, réservoir,... en particulier pour des mécanismes isobares l'échangeur de chauffe / refroidissement peut être partagé par plusieurs éléments ou groupe d'éléments travaillant en phase ou déphasés, selon un même cycle ou selon des cycles distincts. - Le mécanisme selon l'invention peut comporter une association de plusieurs éléments de cycles distincts. Des variantes à l'invention consistent à utiliser une association de plusieurs éléments à cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas et pointe en haut dont au moins un des éléments correspond à l'une des variantes de l'invention et tel que leur association constitue un mécanisme de type Carnot. 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 (le rendement moteur de Carnot est de : 1-Tf/Tc). Les mécanismes de type Carnot comprennent entre autre les mécanismes de Stirling, d'Ericsson, et de Carnot... ainsi que ce type d'associations. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente le cycle triangulaire selon l'invention dans un diagramme PV (Pression / Volume) dont la phase de chauffage ou de refroidissement est isobare (à pression constante) selon une configuration triangulaire 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 un cycle moteur natif, le cycle Diesel. La figure 5 représente un cycle combiné 2 en 1 intégrant au cycle Diésel précédent un cycle triangulaire recyclant la totalité de la chaleur que le cycle moteur natif, figure 4, perd inutilement.

La figure 6 représente un cycle combiné 2 en 1 intégrant au cycle moteur natif, figure 4, un cycle trapézoïdal recyclant l'essentiel, mais non la totalité, de la chaleur perdue inutilement par le cycle natif. La figure 7 représente le schéma d'un mécanisme selon l'invention à cycle triangulaire en circuit fermé dont le transfert thermique est réalisé en isobare (pression constante).

La figure 8 représente le schéma d'un mécanisme selon l'invention à cycle triangulaire en circuit fermé dont le transfert thermique est réalisé en isochore (volume constant). A températures de chauffe Tc et de source froide Tf égales, le rendement est le même que pour un même moteur en isobare. La figure 9 représente le schéma d'un mécanisme selon l'invention à cycle triangulaire en circuit 5 fermé dont le transfert thermique est réalisé en isochore (volume constant). Ici est introduit un déplaceur, un mécanisme souvent utilisé par les mécanismes de Stirling. La figure 10 représente le schéma d'un moteur selon l'invention à cycle triangulaire en circuit ouvert. Le mécanisme peut intégrer un cycle triangulaire à un cycle classique de moteur à combustion interne, réalisant un mécanisme combiné 2 en 1. 10 La figure 11 représente le schéma d'un moteur selon l'invention à cycle triangulaire en circuit ouvert. La variante apportée ici est un mécanisme disposant de bougies ou injecteurs dans le cylindre adiabatique. La figure 12 représente le schéma d'un échangeur interne au volume de travail dont le brevet est déposé conjointement à celui-ci et dont l'usage sera profitable à l'invention. 15 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 constante (isobare), le cycle triangulaire est la pointe en bas (le point a ici). 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 20 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 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 de l'air et du carburant 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. 25 L'invention considèrera l'état fmal, avant l'expulsion des gaz brulés, comme un état voisin de celui-ci. Cet état peut être déterminé en fixant les trois paramètres pression, 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 30 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 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 35 moyen utilisé par une stratégie de pertes entretenues et recyclées qui accroit le rendement moteur tout en réduisant le taux de compression du moteur. Comme tous les cycles thermodynamiques le cycle moteur triangulaire peut être 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 40 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 une masse ou un flux de matière d'une température Tf à une température Tc ou lorsque nous refroidissons un flux de matière d'un 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). 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 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 été 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 Pont 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, gmop, 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 chaude 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 diagramme PV représente un cycle Diesel classique, que nous disons natif. Ce cycle, avec ses mêmes caractéristiques qui pour le diagramme représenté ont les valeurs suivantes, la compression adiabatique fait passer un volume d'air admis de 18° à 600°C, compression 3c, suivie par la combustion à pression constante 2c (cycle Diesel) produisant une augmentation de température d'un coefficient 2 (de 600° à 1200°C), puis une détente adiabatique 3d des gaz brulés dont le gamma est moindre. Parvenu au volume d'admission, point e, les gaz brûlés sont expulsés, transition 2e. En référence à la figure 5, le diagramme représente le cycle combiné 2 en 1 intégrant le cycle natif précédent, cycle Diesel, au cycle triangulaire qui transforme la totalité de la chaleur rejetée par le cycle natif en énergie. Le cycle natif est ainsi optimisé. Vu que nous considérons les gaz brulés comme un gaz parfait et sans problème de pression partielle de vapeur d'eau, la détente complète du volume admis, à volumes égaux, ramène le gaz dans des conditions semblables avec mêmes volume, pression et température. Ce qui diffère un peu du cycle réel. La combinaison est accomplie en compressant la totalité du flux en isotherme puis en adiabatique. Après la combustion du carburant les gaz brulés sont détendus en adiabatique. Le cycle est composé comme suit : le volume admis au point e est compressé en isotherme 1 jusqu'au point d. Puis il est compressé en adiabatique 3c avec le même taux de compression adiabatique que celui de la figure 4. Ensuite l'explosion à volume constant produit une dilatation des gaz brulés 2c, du même coefficient que précédemment, la température des gaz est doublée (de 600° à 1200°C). Cette dilatation est à peine perceptible tant la figure est écrasée par les taux de compression cumulés du cycle combiné. Enfin c'est la détente adiabatique 3d des gaz brulés et chauds qui ramène le volume de travail au volume d'admission. Finalement c'est l'expulsion des gaz brulés détendus et froids 2e. Ils sont à pression, volume et température identiques à l'air admis. Il n'y a plus de perte de chaleur comme dans les cycles natifs, ici le cycle Diesel. Les pertes entropiques au cycle moteur sont les pertes liées à la compression isotherme 1. Ces pertes sont produites en amont du cycle et non plus en fm de cycle et elles sont minimisées. Le cycle natif combiné produit alors le maximum d'énergie qu'il lui est possible de produire. Cet exemple concret, mais non limitatif, montre une limite ou difficulté du cycle combiné. Les taux de compression se multiplient. Ainsi au taux de compression adiabatique de 46, de cet exemple, est associé le taux de compression isotherme du cycle triangulaire correspondant à ce cycle natif qui est de 16. Ce qui donne un taux de compression voisin de 700 ! Pour un air admis à une pression voisine de 1 bar, la compression cumulée produit une pression interne au moteur de l'ordre de 700 bars. C'est énorme. D'autant qu'un volume mécanique important ne produit pour ainsi dire pas ou peu d'énergie. Il s'en suit la variante suivante. Celle-ci ne combine plus le cycle natif au cycle triangulaire correspondant au traitement de la totalité de la chaleur rejetée et inexploitée par le cycle natif, mais à sa partie la plus énergétique. En référence à la figure 6, le schéma représente le cycle combiné du cycle natif de la figure 4 avec un cycle trapézoïdal. Le volume d'air admis en e est compressé en isotherme. La compression isotherme 1 du cycle trapézoïdal est tronquée par rapport à celle du cycle triangulaire de référence (figure 5) associé au cycle natif (figure 4). Au point d la compression adiabatique 3c du cycle natif commence. Puis c'est la dilatation à volume constant 2c où les gaz brulés double de volume, dans l'exemple illustrant ces figures. Enfin c'est la détente adiabatique des gaz brulés 3d. La détente est incomplète, lorsque le volume d'admission est atteint la pression et la température sont supérieures à celles du gaz admis. Il y a perte d'énergie et non optimisation bien que le rendement du cycle natif soit considérablement amélioré. Pour fmir c'est l'expulsion des gaz brulés 2e. Les valeurs numériques correspondant à l'illustration donnent une réduction du volume d'admission fixé arbitrairement à un facteur de 6,5 et donc d'une réduction équivalente du taux de compression qui passe de 700 à près de 100. Ce qui reste important mais est plus ordinaire. Le diagramme étant de ce fait beaucoup moins écrasé, nous reconnaissons l'aire à gauche du point d qui correspond au travail du cycle natif, et à droite du point d l'aire correspondant au travail du cycle trapézoïdal combiné qui exploite partiellement les pertes thermiques du cycle natif. Par extrapolation nous constatons que le travail perdu, la fin du cycle triangulaire se poursuivant au-delà du point e, est négligeable. La transition 2e étant petite.

En référence à la figure 7, le moteur selon l'invention implémentant le cycle triangulaire en circuit fermé. Les deux cycles triangulaires, pointe en haut et pointe en bas, peuvent être réalisés à partir de ce mécanisme. Nous commençons par le cycle privilégié, le cycle moteur triangulaire pointe en bas. Dans ce cas le mécanisme moteur se compose d'un compresseur isotherme 6 et d'un cylindre de détente adiabatique 8. Chaque élément, compresseur isotherme 6 et cylindre de détente 8, est muni d'un piston 4 lequel est relié via une bielle 5 au vilebrequin. Durant la phase de compression le fluide de travail est refroidi grâce à l'échangeur du compresseur isotherme, les rayes extérieures du cylindre 6 symbolisent ce dispositif. Le mécanisme gagnera à utiliser l'un des échangeurs pour lesquels je dépose un brevet conjointement à celui-ci, cf. figure 12. Ainsi que son nom l'indique, la spécificité de cet échangeur est d'être interne au volume de travail. Le volume de l'échangeur s'imbrique dans le piston lorsque celui-ci est en position haute. Au cours de cette phase de compression le compresseur dégage une chaleur Qi évacuée par l'échangeur du compresseur isotherme 6. Lorsque la pression dans la chambre du compresseur isotherme est suffisante le clapet 11 s'ouvre et laisse expulser le fluide compressé et froid du compresseur 6 dans le circuit principal 25. Lorsque le piston 4 a expulsé le fluide le clapet se referme, le mécanisme ouvre alors la soupape 10 qui permet l'admission du fluide de travail détendu et froid dans le compresseur isotherme 6. C'est alors l'admission suivie d'une nouvelle compression isotherme. Le fluide compressé expulsé par 6 entre dans l'échangeur thermique principal 9 où il est porté à la température de la source chaude à pression constante. Afin que cette pression reste la plus constante possible un ballon ou réservoir 14 ajoute son volume intérieur au volume de l'échangeur 9 lissant ainsi les variations de pression. Lorsque le piston 4 du cylindre de détente adiabatique 8 est au point mort haut le mécanisme ouvre la soupape d'admission 12 puis la referme lorsque le volume admis est tel que détendu le fluide de travail sera à la température de la source froide. Le piston réalise une détente adiabatique du fluide de travail, à son point mort bas le fluide est à la température de la source froide. Le mécanisme ouvre la soupape d'évacuation 13 le piston 4 remonte et refoule le fluide de travail dans le circuit de retour 15 vers le compresseur isotherme. Le fluide de travail expulsé traverse le circuit retour 15 selon le flux 16 (en cycle moteur) pour revenir en admission vers le compresseur isotherme 6. De manière à moyenner la basse pression de la même manière que pour la haute pression, il est possible d'y ajouter un ballon faisant tampon. Il est également possible d'utiliser un échangeur 17 sur le circuit retour 15 dont le volume intérieur aura le même effet et permettra au fluide de travail d'être parfaitement refroidi en évacuant la chaleur résiduelle Qr. Ainsi qu'il a été dit, il est possible de modifier le cycle triangulaire afin d'en extraire un cycle trapézoïdal lequel, associé à un cycle triangulaire convenablement choisi, peut composer un cycle de Stirling ou d'Ericsson d'un taux de compression modéré. Dans le cas d'un tel cycle triangulaire modifié de forme trapézoïdal, l'échangeur 17 correspond au quatrième coté introduit par le cycle modifié et permet de réaliser le second transfert thermique du cycle. Ce second transfert thermique Qr est de moindre importance par rapport au transfert thermique principal Qc. L'un des échanges thermiques du cycle de type Carnot composé est réalisé par un seul mécanisme, le second qui lui est associé est réalisé par les deux mécanismes (triangle puis trapèze ou l'ordre inverse), dans ce cas la quantité de chaleur Qr prélevée par l'échangeur 17 est la contribution du trapèze à cet échange thermique accompli sur les deux mécanismes. Le déphasage entre le compresseur isotherme et la détente adiabatique peut être adapté de manière à réduire les fluctuations de pression, au moins pour l'un des deux transferts basse ou haute pression. Nous avons remarqué que la pointe du triangle correspond à une petite aire produisant peu de travail alors qu'elle accroit considérablement le volume du mécanisme. Aussi il pourra être choisi de limiter la détente à une partie produisant plus de travail et donc d'expulser le fluide de travail avant qu'il n'ait atteint la température de la source froide. L'échangeur secondaire 17 sert donc dans ce cas à refroidir le fluide de travail avant son admission, dans le même temps il assure également les fonctions de réservoir et de tampon afin de moyenner la pression, pour un mécanisme triangulaire ou trapézoïdal seul. La chaleur perdue Qr est une perte qui s'ajoute au cycle triangulaire et donc en réduit le rendement. Nous remarquons que si la température Tc de la source chaude alimentant l'échangeur 9 est variable alors soit nous optimisons l'admission du cylindre de détente auquel cas la commande de la soupape est adaptative ce qui se fera aisément à l'aide d'un peu d'électronique, soit elle est fixe comme sur la plus part des moteurs, auquel cas la commande de la soupape 12 sera optimisée pour un fonctionnement jugé standard. Dans ce dernier cas l'échangeur 17 se révèle être nécessaire afm de refroidir le fluide de travail dès lors que le régime moteur s'éloigne du régime de référence. Comme tous les cycles thermodynamiques le cycle moteur ici présenté peut être inversé en cycle thermique, les échanges thermiques Qi et Qc sont alors inversés ainsi que les flèches 16 représentant le déplacement du fluide de travail dans le circuit fermé. Le mécanisme thermique associé consomme alors de la chaleur à basse température Qi et produit de la chaleur Qc. La gestion des soupapes 10, 11, 12 et 13 est adaptée au cycle thermique; le clapet 11 devient alors une soupape de même que la soupape 12 devient un clapet. Le mécanisme moteur selon la figure 7 fonctionnant selon le cycle triangulaire pointe en haut comprend les éléments suivants. Le compresseur adiabatique 8, la détente isotherme chaude dans le cylindre 6 et le refroidissement du fluide de travail à pression constante dans l'échangeur 9. Le moteur se comporte comme suit. Le fluide de travail dans son état initial est admis dans le cylindre 8, sa soupape 12 est ouverte. Puis le fluide est compressé en adiabatique, la soupape 12 étant fermée. Lorsque la pression du fluide contenu dans le cylindre 8 est suffisante pour repousser le clapet 13 celui-ci s'ouvre et laisse expulser le fluide compressé et chaud à pression constante. Le fluide de travail traverse le circuit dit de retour 15 selon le flux 16 pour rejoindre le cylindre de détente isotherme 6. Normalement, la température du fluide est alors celle de la source chaude. Si elle en différait, c'est typiquement le cas pour un cycle trapézoïdal, l'échangeur facultatif 17 permet d'avoir le fluide de travail à la température désirée en admission du cylindre de détente isotherme 6. La soupape 10 du cylindre de détente isotherme chaude 6 est ouverte et le mécanisme admet le fluide chaud dans le cylindre 6. La masse de fluide admise en détente isotherme est égale à la masse de fluide expulsée par le compresseur adiabatique 8. Lorsque le volume à recevoir en admission est atteint la soupape 10 se ferme. Le fluide de travail commence alors une détente isotherme chaude grâce à un apport continu de chaleur via l'échangeur du cylindre 6. La chaleur Qi est alors absorbée par le fluide de travail, la flèche est alors inversée par rapport à celle représentée sur le dessin. Le piston 4 étant parvenu au point mort bas le volume admis est détendu et chaud. La soupape 11 s'ouvre le fluide chaud est expulsé. Celui-ci est refroidi et ramené à la température de la source froide dans un échangeur principal 9 à pression constante. Une quantité de chaleur Qc est évacuée par l'échangeur 9, la flèche est alors en sens inverse de celle représentée dans la figure 7. Compte tenu que ce transfert est réalisé à pression constante, la quantité de chaleur Qc est donc importante, une perte qui, comme telle, est une perte brute pénalisant le rendement. Un réservoir 14 faisant office de tampon et lissant les fluctuations de pression peut être adjoint aussi bien sur le circuit retour ou secondaire 15 à coté de l'échangeur 17 (haute pression), que sur le circuit principal 25 à coté de l'échangeur 9 (basse pression). Dans le cas ou un réservoir 14 est placé à coté de l'échangeur 9 nous lui privilégierons une position entre l'échangeur 9 et le compresseur adiabatique 8 où le fluide est à température froide. Le fluide termine le cycle et se trouve à nouveau en admission du compresseur adiabatique 8. Le mécanisme selon la figure 7 peut être conçu comme un mécanisme cryogénique, frigorifique ou de type pompe à chaleur selon ces deux cycles triangulaires, pointe en bas et pointe en haut. Dans ce cas les flèches 16 indiquant le flux du fluide de travail dans les échangeurs 9 et 17 sont inversées. Selon le cycle triangulaire pointe en bas le mécanisme thermique se compose comme suit. Un cylindre de détente isotherme basse température 6, un échangeur thermique 9, un compresseur adiabatique 8. Le flux du fluide de travail au cours d'un cycle se comporte ainsi : aux conditions initiales le fluide est admis dans le compresseur adiabatique 8, la soupape 13 est ouverte. Le cylindre 8 plein, la soupape 13 est fermée, la compression adiabatique commence. Lorsque la pression exercée par le piston 4 sur le fluide est suffisante, le clapet 12 s'ouvre laissant le fluide pressurisé et chaud sortir du cylindre à pression constante. Le fluide chaud entre dans l'échangeur thermique principal 9 où il est refroidit jusqu'à la température basse à pression constante, circuit principal 25. L'échangeur 9 évacue une quantité de chaleur Qc, la flèche est inversée par rapport à celle représentée sur la figure 7. Nous ferons un peu plus loin une remarque au sujet de cette transformation. Le cylindre 6 est en admission, sa soupape 11 est ouverte. Le fluide froid entre dans le cylindre 6 jusqu'à ce que le volume admis en détente soit atteint. La soupape 11 se ferme. La détente isotherme basse température s'accomplit tandis que le piston 4 descend vers son point mort bas et que l'échangeur du cylindre 6 apporte la quantité de chaleur Qi de la source froide (armoire frigorifique, congélateur, air ambiant ou source d'eau etc.) au fluide de travail. Le sens de la flèche correspondant à Qi est l'inverse de celui représenté sur la figure 7. Le fluide détendu et froid est alors expulsé dans le circuit secondaire ou circuit retour 15. La soupape 10 est ouverte et le piston 4 refoule le fluide. Un échangeur facultatif 17 sert de tampon lissant les variations de pression et peut également servir à rendre effective la correspondance entre les températures de la source froide et du fluide de travail, notamment lors d'un cycle trapézoïdal. Le fluide a alors terminé son cycle et arrive au compresseur adiabatique 8 qui est en admission, la soupape 13 étant ouverte.

Selon le cycle triangulaire pointe en haut le mécanisme thermique se compose comme suit. Un échangeur 9 permettant de chauffer le fluide de travail, un compresseur isotherme 6 à température élevée et un cylindre de détente adiabatique 8. Le fluide de travail suit le cycle suivant. A pression constante (basse) le fluide de travail est réchauffé et dilaté. Il absorbe une quantité de chaleur Qc, flèche entrante. Le compresseur isotherme est en admission, sa soupape 11 est ouverte, le fluide de travail chaud est admis. Le piston 4 étant parvenu au point mort bas, la soupape 11 se ferme. Commence la compression isotherme à température haute. L'échangeur du cylindre 6 dégage une quantité de chaleur Qi, flèche sortante. Lorsque la pression exercée par le piston 4 via le fluide de travail est suffisante, le clapet 10 s'ouvre et permet une expulsion à pression constante du fluide de travail chaud. Un échangeur 17 facultatif en cycle triangulaire qui pourrait être un simple réservoir tampon de fluide sous pression permet de lisser les fluctuations de pression ou d'assurer une température chaude déterminée. Le fluide arrive chaud et pressurisé en admission du cylindre 8. La soupape 13 est ouverte, le fluide est admis. Lorsque le volume à détendre est atteint la soupape 13 est fermée et la détente adiabatique débute. Lorsque le piston est parvenu à son point mort bas le fluide de travail a retrouvé son état initial, pression et température. La soupape 12 est ouverte et le fluide de travail froid et à basse pression est expulsé. Le cycle est bouclé. Les mécanismes thermiques de cycle triangulaire sont atypiques. Pour certaines conditions de fonctionnement ils sont optimaux, pour certaines transformations thermodynamiques ils sont plus efficaces qu'un mécanisme thermique de type Carnot, et pour de nombreuses autres ils sont moins performants que les mécanismes thermiques de type de Carnot. Nous remarquerons que les cycles triangulaires pointe en haut et triangulaires pointe en bas ont là aussi un comportement distinct. Le mécanisme thermique de cycle triangulaire pointe en bas convient parfaitement pour des usages tels que le chauffage d'un flux de matière d'une température basse à une température haute (ou l'inverse en frigorifique ou cryogénie) alors que ceux de cycle triangulaire pointe en haut conviennent mieux pour des fonctions de conversion d'un flux de matière à une température donnée en une source de chaleur à cette température là -cet usage préférentiel des cycles résulte du fait que généralement la source chaude est la source thermique motrice et onéreuse, il peut en être autrement-. Dans ce domaine le mécanisme triangulaire pointe en haut excelle et offre une efficacité supérieure à une pompe à chaleur de type Carnot. Une application de prédilection des mécanisme thermiques triangulaires ou trapézoïdaux pointe en haut (respectivement pointe en bas) sera donc la conversion d'un flux de matière chaud (respectivement froid) en une source de chaleur (respectivement de froid) continue comme par exemple en géothermie afin de permettre aux turbines à vapeur de fonctionner à la température saturante de la source géothermale en exploitant la totalité de la bande thermique et non plus la fraction supérieure de celle ci. Il en sera de même avec un autre flux thermique tel que celui des gaz brûlés rejetés par une turbine à gaz, etc. Il peut en être de même pour la source froide, bien que cette partie des turbines à vapeur a depuis longtemps fait l'objet d'améliorations et que la source froide est généralement plus abondante (l'eau d'une rivière par exemple). Il existe d'autres applications pour lesquelles le bénéfice de ces mécanismes est moins net et certains pour lesquels il sera utile d'adapter le cycle initial aux spécificités des conditions de fonctionnement. Ainsi pour le chauffage d'une maison à une température constante mieux vaut utiliser un mécanisme thermique de type Carnot. Cependant, si le chauffage n'est plus uniforme mais comprend des températures différentes selon des secteurs du bâtiment alors l'usage de pompe à chaleur à cycle triangulaire peut apparaitre opportun. Sa configuration peut être par exemple : une température élevée dans la chambre à bébé et le principal lieu de vie, une plage intermédiaire pour les chambres et autres lieux et enfin une température fi-aiche pour la cave et autres annexes. Alors une telle disposition, somme toute assez banale et naturelle, trouvera un choix plus judicieux dans un mécanisme à cycle triangulaire à pointe en bas. Dans ce cas soit la distinction des niveaux de température se fait dès l'échangeur 9 qui peut être subdivisé en plusieurs éléments soit le flux thermique issu de l'échangeur 9 est géré par le mécanisme de gestion du chauffage du bâtiment. Un choix semblable pourrait être fait pour une gestion des différents bacs d'un réfrigérateur ainsi que de sa partie congélation, le tout étant assuré par un unique mécanisme thermique. Dans de nombreuses configurations de ce type la température de refroidissement n'atteint pas nécessairement la température basse. Plutôt que de nuire au refroidissement par l'usage d'un fluide encore tiède mieux vaut introduire une composante adiabatique en début de détente (respectivement compression) afin que le fluide de travail abaisse sa température naturellement -et au même coût énergétique que durant sa compression- ainsi le cycle triangulaire se trouve aménagé en fonction des contraintes contextuelles afin de produire un mécanisme plus efficace. Implicitement nous décrivons là un cycle thermique combiné, soit un cycle de Carnot combiné à un cycle triangulaire. Selon une variante à l'invention le mécanisme de la figure 7 peut être un mécanisme ouvert, moteur ou thermique. Dans ce cas l'ouverture du circuit fermé que constitue l'élément isotherme 6, le circuit thermique principal 25, l'élément adiabatique 8 et le circuit thermique secondaire ou circuit de retour 15 dépend du type de cycle accompli par le mécanisme. Pour un mécanisme ouvert à cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas l'ouverture du circuit fermé est faite au point g du circuit secondaire ou circuit de retour 15. Pour un mécanisme ouvert à cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en haut l'ouverture du circuit fermé est faite au point h du circuit thermique principal 25.

Lorsque le mécanisme est moteur ou thermique de cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas l'ouverture du circuit fermé représenté par la figure 7 est faite au point g du circuit retour 15. Un moteur à combustion selon ce mécanisme sera ouvert au point g, après l'échangeur thermique secondaire optionnel 17. La soupape 10 correspond à l'admission du moteur, l'échappement est fait après l'échangeur optionnel 17. L'échangeur 17 permet de recycler la chaleur résiduelle des gaz expulsés. C'est particulièrement utile pour un moteur à cycle trapézoïdal, la part peu énergétique du cycle triangulaire est tronquée, la chaleur qui lui correspond peut ainsi être recyclée et être utilisée en préchauffage dans l'échangeur 9 et non être perdue inutilement. Ainsi qu'il a été dit, c'est une manière d'exploiter la partie du cycle thermodynamique qui a le meilleur rendement et de recycler systématiquement la chaleur base température dont la transformation en couple moteur produirait un mauvais rendement, donc beaucoup de pertes entropiques, c'est en même temps un moyen de concevoir des motorisations plus denses comportant un plus grand rapport puissance développée / poids ou encombrement. Ceci peut également être réalisé pour des cycles combinés 2 en 1 bien que dans ce cas une partie de la compression est adiabatique ce qui peut limiter le taux de recyclage de la chaleur perdue lors d'un cycle combinant un cycle moteur à combustion interne à un cycle trapézoïdal (et non triangulaire, le cycle triangulaire aurait consommé toute la chaleur des gaz brulés). Le circuit ouvert peut être à combustion externe et toute la chaleur apportée à l'air ou au fluide de travail l'est grâce à l'échangeur 9. Celui-ci peut être constitué de deux échangeurs, par exemple et de manière non limitative, une première partie servant à recycler la chaleur résiduelle prélevée dans l'échangeur secondaire 17, la suivante servant à lui fournir la chaleur motrice. Mais le mécanisme peut également être à combustion interne et disposer des éléments nécessaires à une combustion interne. La combustion peut être soit accomplie dans le prolongement de l'échangeur 9, s'il est encore utile, il pourrait être supprimé comme tel puisque son office est rempli par la combustion. Soit la combustion est accomplie en lieu et place de l'échangeur 9 ou à la suite de celui-ci, soit elle peut être accomplie dans le cylindre 8 continument durant l'admission lorsque la soupape 12 est ouverte ou juste après la fermeture de la soupape 12. Pour un moteur à combustion de cycle Diesel, à pression constante, les deux solutions sont convenables et ne produisent pas d'altération particulière du cycle originel. Nous présenterons dans les figures suivantes des variantes illustrant ces types de motorisation. Selon une variante à l'invention, la pression dans le circuit d'échangeur thermique principal 9 ou dans le circuit retour 15 peut ne pas être isobare, dans la figure 8 nous reprendrons ce schéma afin de l'adapter à un çycle à échange thermique isochore, plus généralement les échanges thermiques peuvent être quelconque. Le cycle triangulaire est libre de toute contrainte contrairement aux cycles de Stirling et d'Ericsson pour lesquels les échanges thermiques via les régénérateurs doivent être exactement de même nature. Le cycle triangulaire comprend un unique échange thermique principal, son rendement ne dépend pas du type de cet échange thermique, il est donc libre et non contraint. En référence à la figure 8, le moteur selon l'invention implémente le cycle triangulaire en circuit fermé travaillant en isochore. Le mécanisme se compose d'un compresseur / détendeur isotherme 6, d'un cylindre de détente / compression adiabatique 8, d'un échangeur thermique 9 travaillant en isochore et, éventuellement d'un réservoir ou échangeur secondaire 17 sur le circuit retour pouvant servir autant à lisser les variations de pression qu'à stabiliser la température du fluide de travail ou, en tant qu'échangeur thermique, afin de réaliser un cycle trapézoïdal. Le mécanisme est semblable à celui de la figure 7, la principale différence matérielle consiste à minimiser ici le volume interne de l'échangeur 9 de manière à ce que ce volume corresponde au volume mort déterminant le taux de compression isotherme, en mode moteur. Son volume interne est donc étroitement lié au volume maximal du cylindre 6. Le volume interne de l'échangeur 9 travaille de même, en détente, avec le cylindre adiabatique. Le volume maximal du cylindre 8 dépend donc également du volume interne de l'échangeur 9 ainsi que de la température de chauffe. Le volume complet du circuit thermique principal 25 compris entre les soupapes 11 et 12 fait partie, en alternance, du volume de travail du cylindre 6 et du volume de travail du cylindre 8, selon le jeu des soupapes et du cycle triangulaire accompli. Le cycle moteur triangulaire pointe en bas se compose ainsi : le piston 4 et sa bielle 5 du compresseur isotherme 6 est à son point mort bas. Le fluide de travail est à son état initial, détendu et froid. Le mécanisme ferme la soupape 10 et ouvre la soupape 11. Le piston 4 remonte et compresse le fluide de travail en isotherme. L'échangeur du compresseur isotherme 6 évacue une quantité de chaleur Qi. Lorsque le piston est parvenu au point mort haut, le fluide froid est compressé dans l'échangeur 9. Le mécanisme ferme la soupape 11 et ouvre la soupape 10 pour l'admission du fluide de travail froid et détendu. Pendant que le volume du circuit principal 25 est clos l'échangeur 9 est activé et chauffe à volume constant le fluide de travail compressé. Sa pression croît. Le mécanisme ferme la soupape 13 du cylindre adiabatique 8, ouvre la soupape 12 et désactive l'échangeur 9. Le piston 4 du cylindre 8 qui était à son point mort haut a son volume de travail augmenté du volume interne de l'échangeur 9. Nous pouvons remarquer que par cette astuce le mécanisme n'utilise pas de déplaceur et les courses des pistons sont optimisées. Ainsi les pertes mécaniques induites par les pièces en mouvement sont réduites au minimum. Le piston 4 commence sa descente réalisant ainsi une détente adiabatique du fluide de travail chaud contenu dans l'échangeur 9. Dans le même mouvement des pistons le compresseur est en admission. Arrivés au point mort bas, le cylindre adiabatique a détendu le fluide qui est revenu dans son état initial, coté compresseur isotherme l'admission est faite. Le mécanisme ferme les soupapes 12 et 10, et ouvre les soupapes 11 et 13. Durant la remontée des pistons, le compresseur isotherme 6 compresse en chassant dans l'échangeur 9 le fluide compressé et froid, tandis que le cylindre adiabatique 8 refoule le fluide détendu et à basse température. Celui-ci peut passer dans un réservoir optionnel qui amortit les variations de pression et, par sa temporisation peut permettre d'assurer au fluide une température égale à celle de la source froide. La fonction d'échangeur du réservoir 17 correspond à un cycle triangulaire modifié (trapézoïdal).

Le mécanisme décrit ainsi a un léger souci : le chauffage isochore devrait être quasi instantané puisque, ici, les pistons sont en phase. A ce petit ennui plusieurs solutions sont envisageables donnant autant de variantes à l'invention. La première solution consiste à déphaser légèrement les deux cylindres 6 et 8. Le retard du piston du cylindre adiabatique 8 sur le piston du cylindre isotherme 6 permet de donner un laps çle temps permettant d'effectuer cet échauffement isochore avant que la soupape 12 ne s'ouvre. Cependant ce décalage induit une nuisance à la phase de compression qui, de ce fait commence avant que la soupape 11 ne soit ouverte. Cependant, du fait que ce retard est faible, la compression sera elle aussi faible. Et plus cette compression avant l'ouverture de la soupape 11 sera faible plus la nuisance sera négligeable. La commande de fermeture / ouverture des soupapes 11 et 12 qui associent le volume interne de l'échangeur 9 du cylindre 8 au cylindre 6, peut également être effectuée lorsque la pression en compression isotherme, cylindre 6, égale la pression en détente adiabatique dans l'échangeur 9. Alors la soupape 12 est fermée, la 11 est ouverte et l'échangeur 9 est ouvert sur le compresseur isotherme 6 en phase de compression isotherme. Dans ce cas le résidus de fluide de travail contenu dans l'échangeur 9 a une température légèrement supérieure à la température basse, sa détente n'ayant pas été complète. Une seconde solution est de donner une avance au piston du cylindre adiabatique 8 sur celui du compresseur isotherme 6. Dans cette solution le volume isochore est supérieur au volume interne de l'échangeur 9. Ce volume est alors partiellement transvasé du compresseur isotherme dans le cylindre adiabatique tout en étant échauffé lors de sa traversée de l'échangeur 9. Lorsque le piston adiabatique arrive le premier à son point mort haut, la soupape 12 est ouverte (la 13 ayant été fermée). Le piston isotherme achève sa compression, qui est maintenant quasiment une expulsion à volume constant puisqu'il chasse le fluide compressé qui ressort coté cylindre adiabatique chauffé. Dans cette dernière phase de compression le piston 4 du compresseur isotherme travaille comme un déplaceur. Ici la nuisance induite par l'avance du piston du cylindre adiabatique 8 est négligeable puisqu'elle l'amène à débuter l'expulsion du fluide de travail détendu avant l'ouverture de la soupape 10, mais le réservoir 17 lisse les variations de pression, d'où une incidence négligeable. Cette solution a des similitudes avec les moteurs de Stirling alpha. Une troisième solution consiste à dédoubler l'échangeur 9 en deux échangeurs 9a et 9b associés à deux circuits thermiques principaux 25a et 25b parallèles gérés en alternance. De cette manière 40 chaque échangeur disposera d'un cycle complet pour échauffer à volume parfaitement constant le fluide de travail avant d'être connecté au volume de détente adiabatique 8. Ainsi, lorsque la compression isotherme ouverte sur l'échangeur 9a s'achève, la soupape lla du circuit 25a est fermée, puis la soupape 10 est ouverte pour l'admission. Dans le même temps la soupape 13 est fermée et la soupape 12b du circuit 25b est ouverte et met en communication le fluide chauffé de l'échangeur 9b durant le cycle précédant avec le volume de travail du cylindre de détente adiabatique 8. Ainsi de suite, en alternance entre les circuits thermiques principaux 25a et 25b comprenant les échangeurs 9a et 9b. Une quatrième solution consiste à ajouter un temps au cycle. Ce temps consiste en une pose insérée dans le cycle. Elle permet aux échanges thermiques de s'accomplir sans que les états du mécanisme changent au cours de cette pose. Pour des mécanismes à piston, bielle et vilebrequin l'introduction d'un temps supplémentaire permettant l'échauffement (respectivement refroidissement) isochore du fluide de travail, temps compris entre la fermeture de la soupape 11 et l'ouverture de la soupape 12 lorsque les pistons 4 sont à leur point mort haut, prendra la forme de l'un des systèmes l'embiellage par lesquels le point mort haut ou point mort bas reste fixe le temps de la rotation d'un angle donné du vilebrequin. Une autre variante consiste à corriger un autre défaut du mécanisme : la compression isotherme s'achève dans l'échangeur 9 alors que celui-ci, dévolu au chauffage, est désactivé. La fm de la compression isotherme sera donc peu ou pas du tout isotherme. Ce qui ne correspond pas au cycle triangulaire et est donc restrictif à des usages plus spécifiques, proches des cycles combinés 2 en 1.

Cette variante consiste à utiliser l'échangeur 9 comme un prolongement de l'échangeur refroidissant le fluide de travail contenu dans le cylindre 6 durant l'isotherme. Ainsi une partie de la chaleur Qi est évacuée par l'échangeur 9 durant la compression. Nous pouvons noter que la température interne de l'échangeur 9 s'était naturellement abaissée durant la détente adiabatique du fluide de travail qu'elle contenait. L'échangeur 9 étant alors désactivé et la détente adiabatique abaissait le fluide de travail contenu dans l'échangeur. De la même manière que pour les autres mécanismes il est ici aussi possible de modifier le cycle qui ne sera plus purement triangulaire mais comportera un sous cycle de type Carnot (une composante de type Stirling par exemple) en compressant plus que le cycle triangulaire ne le nécessite pour ces températures de chauffage (ou tout au moins dont une partie de cette compression isotherme sera associée à l'isotherme chaude et constituera un sous cycle de type Carnot) et en réalisant une partie de la phase de détente du fluide chaud en détente isotherme chaude qui s'achèvera en détente adiabatique telle qu'elle se fait lors d'un cycle triangulaire (ou trapézoïdal) de manière à retrouver l'état initial. La conception du mécanisme favorise ce type d'adaptation du cycle triangulaire. Pour cela il suffit de prolonger un temps le chauffage dans l'échangeur 9. Une faible variation de position du piston 4 du cylindre 8 correspond alors à une variation importante du taux de compression du volume de travail. Le seul échangeur 9 suffit donc à réaliser un début de détente isotherme à haute température sans qu'il soit nécessaire de munir le cylindre 8 d'un échangeur thermique dans sa partie supérieure ou d'introduire un autre élément de détente permettant de réaliser cette première partie isotherme chaude.

Lorsque le mécanisme réalise un cycle triangulaire modifié de forme trapézoïdale le réservoir 17 est alors un échangeur thermique. Selon des modes de réalisations ayant pour but de composer un mécanisme de type Carnot à base de deux mécanismes triangulaires, cet échangeur 17 peut alors travailler à volume constant afin que Qr corresponde à la participation du transfert thermique à volume constant du mécanisme composite de type Carnot. Ceci fait du circuit retour 15 un circuit semblable au circuit principal 25 comprenant l'échangeur 9, la gestion des flux est alors accomplie de la même manière. Dans ce cas il n'y a pas de réservoir sur le circuit fermé mais seulement un accès pour la maintenance et la mise en pression du circuit. Notons que les mécanismes de type Carnot obtenus par l'association de deux mécanismes triangulaires ou triangulaire et trapézoïdal n'ont pas la même contrainte que les mécanismes de Stirling ou Ericsson en devant être ou tout isochore ou tout isobare, ils peuvent être mixtes voire avec des échanges thermiques indéterminés conjuguant isochore et isobare. L'essentiel étant que les quantités de chaleur échangées et leurs températures Tf et Tc correspondent. De même que pour la figure 7, l'invention selon la figure 8 peut être réalisée en circuit ouvert, en mode moteur ou en mode thermique. Le mode thermique comme le mode moteur à combustion externe est en tout point semblable au même mode en circuit fermé, seul l'ajout des éléments spécifiques aux moteurs à combustion externe ou interne diffère. Ici l'ajout d'une chambre à combustion à la place de l'échangeur 9 ou à sa suite est privilégiée afin que le cycle du moteur, cycle isochore, soit conservé. L'explosion ou la combustion se fera donc dans le volume correspondant au circuit thermique principal 25 (25a et 25b, selon les variantes) et l'échauffement sera isochore d'où un accroissement de pression. En tout point le mécanisme correspond à la description faite à ce sujet à propos de la figure 7, l'échangeur 9 peut donc ici aussi être gardé et servir à recycler la chaleur prélevée sur les gaz brulés détendus dans l'échangeur optionnel 17 avant leur évacuation. Ce recyclage thermique correspond aux pertes induites par un cycle trapézoïdal. Si le cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas correspond mieux à l'usage courant des moteurs, la totalité des cycles et modes moteurs et thermiques peuvent être réalisés en mode ouvert par une adaptation simple de la figure 8 en tout point semblable à celle décrite pour la figure 7. L'ouverture du circuit fermé se fait au niveau du point g pour un mécanisme à cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas. Elle se fait au niveau du point h pour les mécanismes de cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en haut.

La description du mécanisme et plus particulièrement la manière dont celui-ci gère les soupapes et les flux selon les autres cycles triangulaires pointe en bas et pointe en haut selon les modes moteurs ou thermiques (pompe à chaleur ou cryogénique) en circuit fermé ainsi qu'en circuit ouvert se déduisent aisément à partir des descriptions déjà données pour ces cycles moteur et thermique, des descriptions précédentes associées à la figure 7. Les hommes de l'art n'auront aucun mal à adapter le mécanisme de la figure 8 à ces usages. En référence à la figure 9, le mécanisme selon l'invention est une variante du mécanisme précédent Ici un déplaceur 19 est inséré au circuit thermique principal 25. Sa fonction consiste à maintenir constant le volume au cours des opérations isochores d'admission, d'échange thermique et d'expulsion. Selon cette variante les pistons des cylindres 6 et 8 ont une course improductive durant l'expulsion isochore du fluide de travail compressé et froid ainsi que durant l'admission isochore du fluide de travail chaud (selon un cycle moteur triangulaire pointe en bas, ce qui n'est pas restrictif à l'invention). Un défaut que le mécanisme figure 8 évitait. Le déplaceur 19 est positionné en avant de l'échangeur principal 9 ce qui signifie que l'échange thermique avec le fluide de travail, à volume constant, s'accomplira en même temps que l'admission dans le cylindre 8. Le déplaceur expulse, à volume constant, le fluide de travail qu'il stockait vers le volume du cylindre 8 en admission. Expulsé, le fluide de travail traverse l'échangeur principal 9 où il est chauffé (ou refroidit) à volume constant. Une variante plus classique correspondant à l'usage le plus courant des déplaceurs qui est fait par les mécanismes de Stirling, celle-ci peut placer l'échangeur principal 9 en parallèle au déplaceur 19. Durant la fermeture du circuit thermique principal 25 le déplaceur 19 oblige le fluide de travail à traverser l'échangeur 9 et à subir un échange thermique à volume constant. Cette alternative donne un mécanisme retrouvant les propriétés précédentes de la figure 8, les pistons 4 n'ont pas de course inutile et le volume du circuit thermique principal est étroitement associé au taux de compression et de détente du mécanisme. Les variantes décrites en référence à la figure 8 sont applicables ici aussi, notamment pour les points 15 d'ouverture g et h du circuit fermé afin d'adapter le mécanisme à circuit fermé en mécanisme à circuit ouvert. La figure 10 illustre les variantes des figures 7 et 8 en circuit ouvert. Celles-ci peuvent être thermiques ou moteurs, en particulier avec l'introduction d'une chambre à combustion. La figure 10 correspond à une description d'un mécanisme moteur cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas 20 (ouverture au point g), ce qui n'est en rien restrictif à l'invention. Le mécanisme moteur peut être à combustion interne ou à combustion externe. Le mélange des deux permet de combiner plus facilement un cycle de type Carnot à un autre cycle moteur en économisant l'oxygène pour une combustion prolongée durant la détente. La figure 10 comprend un compresseur isotherme 6 disposant de ses soupapes ou clapets 10 et 11, 25 un circuit thermique principal 25 qui comprend l'échangeur thermique 9 et la chambre à combustion 20, un cylindre à détente adiabatique 8 et ses soupapes ou clapets 12 et 13 et un circuit thermique secondaire 15 réduit au seul échangeur optionnel 17, lequel correspond à l'échappement. Les cylindres disposent de leur piston 4 et de leur bielle 5. Les flux 16 correspondent au flux d'air, de mélange et de gaz brulés. 16a est l'admission d'air ou de mélange provenant des organes antérieurs 30 (filtre à air et éventuellement carburateur, par exemple), 16 est le flux d'air ou de mélange compressé traversant le circuit thermique principal 25, passant du compresseur isotherme 6 vers le cylindre de détente adiabatique 8, 16b correspond à l'échappement des gaz brûlés détendus et refroidis. Toutes les variantes décrites des figures 7 et 8 sont ici transposables en circuit ouvert, que ce soit en 35 fonctionnement isochore ou isobare ou encore selon un échange thermique quelconque, en mode moteur ou en mode thermique. Le mode thermique ouvert ne nécessite pas de chambre à combustion 20 contrairement au mode moteur privilégié. Le mécanisme moteur travaillant en isobare se comporte comme suit. L'air du flux 16a est admis en admission dans le cylindre 6, la soupape 10 est ouverte. Lorsque le piston 4 parvient en position 40 mort bas le mécanisme ferme la soupape 10. Le piston 4 remonte produisant une compression isotherme de l'air. L'échangeur du compresseur isotherme 6 évacue une quantité de chaleur Qi. Lorsque la pression dans le cylindre 6 est suffisante le clapet 11 s'ouvre et l'air compressé et froid est expulsé. Parvenu au point mort haut, le clapet 11 se referme et la soupape 10 est ouverte pour une nouvelle admission. L'échangeur thermique 9 réalise un préchauffage de l'air compressé. Ce préchauffage peut n'être qu'un recyclage de la chaleur non consommée, alors Qc est égal à Qr. Il peut être aussi accru par une combustion externe, dans ce cas Qc est plus grand que Qr. Il peut aussi n'être le produit que de la combustion externe, auquel cas Qr sert à d'autres usages (cogénération) ou n'est pas exploitée. L'air préchauffé parvient à la chambre de combustion 20 où un injecteur pouvant être joint à un dispositif d'allumage injecte et enflamme un carburant. La chaleur produite dilate l'air à pression constante. De même que le mécanisme de la figure 7 le mécanisme peut disposer d'un ballon réservoir 14 qui lisse les variations de pression entre les cylindres 6 et 8. De préférence il sera situé entre le compresseur isotherme 6 et l'échangeur 9. Un réservoir 14 ainsi situé peut être utilisé comme moyen de démarrage du mécanisme et peut économiser au mécanisme un démarreur électrique. Lorsque le piston 4 du cylindre adiabatique 8 est à son point mort haut, la soupape 13 est fermée et la soupape 12 est ouverte afin d'admettre les gaz brûlés et chauds. Le piston 4 descend. Lorsque le volume admis en détente est atteint le mécanisme ferme la soupape 12 et détend en adiabatique les gaz brûlés. Parvenu au point mort bas, la soupape 13 est ouverte et les gaz brûlés détendus sont expulsés. Si le mécanisme réalise un cycle combiné 2 en 1 qui combine le cycle de type Diesel à un cycle triangulaire alors la pression et la température des gaz brûlés sont proches de la pression et température de l'air ambiant. Il n'y a donc pas de chaleur ni d'énergie à récupérer, l'échangeur 17 du circuit thermique secondaire (d'échappement) 15 est inutile et l'échappement se fait directement. Si le cycle moteur original est combiné avec un cycle trapézoïdal alors, lorsque le piston 4 du cylindre 8 est à son point mort bas, la pression et la température des gaz brûlés contenus dans le cylindre 8 sont supérieurs à la pression et température de l'air ambiant.

Aussi, après ouverture de la soupape 13, les gaz brûlés se trouvent être à une température bien supérieure à celle de l'air. Dans ce cas l'échangeur 17 permet de capter cette chaleur Qr avant l'expulsion finale des gaz brûlés refroidis. Selon certaines variantes un dispositif muni de chicanes est placé à la sortie du cylindre adiabatique 8 afin d'amortir la surpression des gaz brûlés relâchés et de transformer en chaleur cette surpression afin de la recycler. Selon un usage privilégié, cette chaleur Qr est recyclée et permet de préchauffer l'air compressé dans l'échangeur 9 et de favoriser ainsi l'embrassement du mélange dans la chambre de combustion 20. De cette manière il est possible de réaliser des moteurs denses et puissants, la détente des gaz brûlés n'est faite que dans leur partie la plus énergétique. L'énergie restante (chaleur et pression) est transformée en chaleur dans le circuit thermique secondaire 15, cette chaleur étant ensuite recyclée et non perdue comme c'est l'usage dans les moteurs exploités jusqu'à ce jour. Plus qu'un recyclage c'est une technique qui permet d'exploiter le meilleur du cycle et d'éviter de transformer la chaleur de basse température en couple moteur. Sachant qu'elle est recyclée à presque 100% alors que sa transformation en couple est d'un rendement très médiocre. Nous remarquons que la chaleur est captée à pression constante dans l'échangeur 17 et qu'elle est transmise à l'air comprimé froid au sortir du compresseur isotherme 6 à pression constante également. Théoriquement rien n'est perdu de cette quantité de chaleur Qr. Si le moteur travaille en isochore alors une partie de la chaleur Qr n'est pas recyclée selon un rapport Cp/Cv. Selon des variantes le mécanisme peut ne pas disposer d'échangeur 9, ou il peut ne pas disposer de chambre à combustion 20 et la combustion est réalisée dans le cylindre adiabatique 8 grâce à des injecteurs (et éventuellement des bougies), ou le mécanisme peut également disposer de bougies et injecteurs au niveau du cylindre 8 et ainsi grâce à un préchauffage puis une combustion partielle de l'oxygène de l'air, réaliser un début de détente de type isotherme chaude grâce à une injection de carburant (qui est soit continue soit constituée par de brèves séquences d'injection successives) qui s'enflamme avec l'oxygène restant des gaz. De cette manière il est possible de réaliser des cycles combinés 2 et 1 ou 3 en 1.

Le mécanisme de la figure 10 peut constituer un mécanisme moteur travaillant en isochore semblable à celui décrit à la figure 8 et ses variantes. La gestion des soupapes est semblable de même que les solutions apportées au problème de l'isochore. Dans le cas de la variante associant deux échangeurs 9a et 9b aux cylindres 6 et 8 la chambre de combustion peut elle aussi être dédoublée en deux chambres 20a et 20b, lorsque le mécanisme use d'une chambre de combustion et ne produit pas la combustion seulement dans le cylindre adiabatique 8. Cette solution est ici moins séduisante que dans le cadre d'un circuit fermé vu que l'explosion permet un chauffage quasi instantanée du gaz contenu dans la chambre de combustion. Le mécanisme peut réaliser une compression qui est partiellement isotherme afin de réaliser un cycle combiné 2 en 1 associant un cycle de Beau de Rochas ou Diesel à un cycle triangulaire ou trapézoïdal. Dans ce cas soit l'échangeur thermique du compresseur isotherme 6 est désactivé au cours de la compression, soit ses performances médiocres font que la compression est confusément isotherme et adiabatique, soit la compression est réalisée par deux mécanismes l'un adiabatique et l'autre isotherme. La caractéristique du moteur figure 10 qui permet de recycler l'énergie non consommée Qr grâce à l'échangeur 17 du circuit d'échappement en le recyclant avant la combustion à l'aide de l'échangeur 9, est très intéressante non seulement elle permet de créer des motorisations puissantes et denses qui exploitent seulement la partie la plus énergétique de la détente mais, paradoxalement c'est là un moyen d'améliorer le rendement moteur (habituellement c'est l'inverse qui découle d'un tel choix !) puisque le cycle triangulaire correspondant à la pointe inférieure tronquée (triangulaire également) a un très mauvais rendement. Le cycle trapézoïdal ne transforme pas sa chaleur en couple mais il la recycle ce qui a pour effet d'accroitre le rendement moteur par rapport au rendement triangulaire original, à températures de fonctionnement Tf et Tc identiques. Ainsi, plus nous recyclons de chaleur et plus le rendement s'approche de celui de Carnot. Initialement le rendement est celui du cycle triangulaire qui dépend de Tf et Tc la température après combustion et la température de compression isotherme. Ce qui est un moyen de concevoir des motorisations économiques qui, au minimum ont le rendement du cycle triangulaire puis, plus elles demandent de puissance plus leur rendement s'améliore. Non seulement parce que Tc croit mais surtout parce qu'une plus grande quantité de chaleur Qr est recyclée par l'échangeur 9. Une chaleur peu productrice d'énergie qui est recyclée de cycle en cycle ce qui évite de consommer l'énergie qui lui correspond.

Ainsi que pour les figures 7 et 8 (en circuit ouvert) le mécanisme de la figure 10 peut être un mécanisme thermique. Dans ce cas il ne possède pas de chambre de combustion 20 (ce qui ne serait pas économe) et le sens des flux 16 est inversé par rapport à ceux du schéma. La figure 11 illustre une variante du mécanisme moteur précédant. Selon cette variante le moteur n'utilise plus de chambre à combustion mais produit l'explosion du mélange air - carburant dans le cylindre adiabatique 8. Pour cela il dispose d'une bougie ou d'un injecteur 21 placé(s) sur le cylindre adiabatique 8. Les deux modes de motorisation isochore et isobare sont possibles. De même qu'il fut dit précédemment l'échangeur optionnel 17, associé à l'échangeur 9, permet de recycler la chaleur Qr. Ainsi, sans aucun mécanisme sophistiqué sinon ces deux échangeurs thermiques associés, plus le moteur produit de puissance et donc rejette de chaleur inexploitée Qr, plus le moteur améliore son rendement. Car plus il exploite la partie haute du cycle triangulaire ou combiné, partie pour laquelle le rendement est le plus élevé. Une caractéristique peu commune aux motorisations ; elles ont l'habitude de voir leur rendement s'effondrer et non progresser avec le couple produit. Notons que si nous considérons la figure 11 selon une turbine à gaz ou un turbopropulseur ou un turboréacteur alors le mécanisme 8 correspond à la chambre de combustion et à la turbine. La chaleur résiduelle Qr des gaz brulés captée par l'échangeur 17 sert à préchauffer, totalement ou partiellement, l'air compressé issu du compresseur isotherme axial 6. La température de l'air issu de l'échangeur 9 doit permettre l'embrasement du carburant dans la turbine 8 ou la chambre à combustion du turboréacteur. Le compresseur isotherme 6 peut être purement isotherme, isotherme par morceaux (alternance d'adiabatique et de refroidissement) ou simplement refroidi. Lorsque la motorisation est à combustion interne et externe il est possible de préchauffer l'air dans l'échangeur 9 au démarrage ainsi qu'après le recyclage de Qr. En référence à la figure 12, le mécanisme, dans sa forme préférentielle, est présentée sous forme moteur, un moteur à combustion interne disposant d'une chambre à combustion séparée du cylindre de détente. Le moteur est à cycle combiné. La combinaison des cycles est accomplie par deux éléments distincts 6 et 8c. Le compresseur isotherme 6 correspond au cycle triangulaire ou trapézoïdal combiné au cycle natif afin d'en recycler tout (cycle triangulaire) ou partie (cycle trapézoïdal) de la chaleur résiduelle du cycle natif. Le compresseur adiabatique correspond au cycle natif. D'autres conceptions de l'invention utiliseront la même architecture du mécanisme selon l'invention à des fins autres que la combinaison des cycles et seront des variantes de l'invention à cycle triangulaire. En effet les moteurs à explosion basés sur le cycle triangulaire ou trapézoïdal souffrent d'une température trop basse pour produire l'explosion du mélange. Certaines variantes associeront aux moteurs une combustion interne et une combustion externe, combustion soit au sens propre soit au sens large par un apport thermique extérieur au fluide de travail comme le recyclage thermique peut en être une forme privilégiée. D'autres variantes associeront un compresseur adiabatique dont la fonction sera d'échauffer la température de l'air ou du mélange, de manière à favoriser son explosion. D'autres encore associeront un compresseur adiabatique 8c par une analogie avec le recyclage thermique dans le but d'améliorer le rendement moteur : la chaleur dépensée pour chauffer aux basses température est très peu profitable car le rendement du cycle triangulaire dépendant du logarithme est très faible à basse température (faible écart thermique), le recyclage thermique de cycle en cycle de cette chaleur basse température est une solution simple à cette problématique, l'usage d'un compresseur adiabatique qui amplifie la température initiale est une autre solution. L'avantage de la première solution est sa simplicité et le fait qu'elle ne coute pas d'énergie ou très peu, son défaut est l'absence de chaleur résiduelle au démarrage afin d'amener le mélange ou l'air à une température favorable à son explosion. La seconde solution a les avantages des défauts de la première solution et les défauts de ses avantages. Elle coute une énergie mécanique que le cycle lui restituera moyennant des pertes, mais elle est fonctionnelle dès le démarrage. Afin d'accroitre le rendement en recyclant une chaleur résiduelle dont la température est élevée nous contraignons le cylindre 8d à travailler à de hautes températures, ce qui est délicat, le compresseur 8c permet d'accroître ce rendement sans contraindre le cylindre 8d à rejeter des gaz détendus dont la température minimale est très élevée. Les deux solutions se distinguent par le fait que le recyclage thermique apporte un gain en rendement immédiat alors que le compresseur apporte un gain indirect. Il élève la température chaude, donc le rendement, ce décalage thermique peut produire des résidus thermiques qui, recyclés, amélioreront le rendement. L'ajout du compresseur adiabatique 8c au circuit thermique principal 25 peut correspondre à l'un de ces deux choix thermodynamiques, la combinaison d'un cycle natif au cycle triangulaire ou trapézoïdal ou l'amélioration du rendement du cycle triangulaire. Une architecture identique du mécanisme correspond à deux choix distincts de stratégie. Le flux d'air ou de mélange 16 correspond à un cycle moteur de type triangulaire pointe en bas. Le mécanisme comprend un compresseur isotherme 6 ayant ses soupape et clapet d'admission et d'échappement 10 et 11, un échangeur thermique de préchauffage 9p, un compresseur adiabatique 8c et ses soupape et clapet 10c et llc, un échangeur thermique optionnel 9 (le préchauffage de l'air ou du mélange se faisant principalement par l'échangeur 9p et la compression qui le suit, quant à l'échange thermique principal il est le fait de la chambre à combustion), une chambre de combustion 20 (lorsque la combustion n'est pas faite dans le cylindre 8d), un cylindre de détente adiabatique 8d ayant ses soupapes d'admission et d'échappement 12 et 13, enfin le circuit thermique secondaire 15 réduit au seul échangeur thermique 17 avant le rejet des gaz brulés. Les cylindres disposent de leur piston 4 relié à une bielle 5. L'air admis 16a est compressé en isotherme par le cylindre 6. Cette compression isotherme dégage une quantité de chaleur Qi. Le flux d'air frais et compressé 16 est préchauffé dans l'échangeur thermique 9p. De manière privilégiée nous recyclons là la chaleur résiduelle Qr prélevée sur les gaz brulés détendus avant leur rejet. Puis le flux d'air est compressé en adiabatique par le compresseur 8c. Cette compression correspond soit à un cycle natif, Diésel ou essence, soit à un préchauffage mécanique de l'air avant sa combustion avec un carburant. Le mélange air-carburant (essence, diesel, GPL, méthane, hydrogène,...) doit avoir une température minimale avant explosion propre au combustible utilisé. Un échangeur optionnel 9 permet de chauffer le flux d'air avant qu'il n'entre dans la chambre de combustion 20. Celle-ci est munie des dispositifs nécessaires au carburant utilisé (injecteurs, bougies,...). Les gaz brulés et chauds sont ensuite admis dans le cylindre de détente adiabatique 8d. Après leur détente, l'échangeur 17 capte leur chaleur résiduelle Qr qui est recyclée afin de préchauffer l'air sortant du compresseur isotherme 6.

De manière privilégiée le cycle combiné sera de type trapézoïdal et non triangulaire. La température des gaz en fin de détente sera élevée de manière à accroitre le rendement du moteur. Trop élevée, le fonctionnement du mécanisme cylindre 8d et piston 4 en serait affecté. C'est donc un compromis entre avantages et inconvénients qui limite l'augmentation de la température des gaz détendus. Un avantage appréciable de cette stratégie est de réduire considérablement le taux de compression du mécanisme. Nous l'avons vu, le cycle triangulaire nécessite un taux de compression de plusieurs fois 100 ce qui dépasse les limites mécaniques usuelles. Cette stratégie d'optimisation réduit le taux de compression à un niveau très faible, bien en deçà des limites mécaniques. De même que pour les figures précédentes le mécanisme peut aussi bien être adapté pour un fonctionnement à pression constante qu'à volume constant. Le circuit thermique principal peut donc aussi bien comporter un réservoir 14 qui lisse les variations de pression (fonctionnement isobare), un réservoir peut également être associé à l'échangeur 9p, qu'un déplaceur 19 (fonctionnement isochore), qu'un mécanisme annexe permettant de suspendre ou de ralentir fortement le mouvement des pistons afin de réaliser un échauffement/refroidissement isochore, qu'un dédoublement du circuit compris entre les soupapes 11c et 12 et de celles-ci (fonctionnement isochore). Le cylindre 8d peut comporter des injecteurs ou des bougies que ce soit pour pratiquer un début de détente quasi isotherme à haute température ou pour réaliser la combustion dans le cylindre 8d et non dans une chambre à combustion 20. En inversant les flux 16a, 16 et 16b ainsi que les flux thermiques Qi, Qr et Qc nous obtenons un mécanisme thermique. Celui-ci ne nécessite pas l'usage d'une chambre de combustion 20. 8d est alors un compresseur adiabatique, 8c un mécanisme de détente adiabatique, 6 un mécanisme de détente isotherme. Les échangeurs 17 et 9p sont alors optionnels. Si nous considérons la figure 12 selon le schéma d'un turboréacteur dans cadre d'une motorisation d'avion par exemple, alors les compresseurs 6 et 8c sont des compresseurs axiaux en série dont le premier 6 est refroidi ou isotherme, le second 8c est adiabatique, il permet d'obtenir l'air à une température favorable à l'embrasement du kérosène. Celui-ci est embrasé dans la chambre à combustion 20. L'élément 8d correspond à la tuyère. Le réacteur d'un avion produit peu de couple, sinon afin de fournir le couple suffisant à la compression, l'énergie des gaz brulants sert à la poussée. Ce à quoi est réduit 8d. Les échangeurs sont inutilisés selon une conception proche des usages actuels de ce type de motorisation. En référence à la figure 13, le mécanisme est la variante immédiate du mécanisme à cycle combiné de la figure 12 précédente en circuit fermé. La fonction thermique de la chambre de combustion est accomplie par l'échangeur 9. Le mécanisme privilégié dont le fluide de travail suit le flux 16 est un moteur à combustion externe de cycle natif de type ou Beau de Rochas ou Diesel combiné à un cycle triangulaire ou trapézoïdal. Ce mécanisme comprend un compresseur isotherme 6, un échangeur thermique 9p dont le fonctionnement privilégié est de préchauffer le fluide de travail à l'aide de la chaleur résiduelle (basses températures) Qr du fluide de travail après sa détente, un compresseur adiabatique 8c correspondant au cycle natif (en combustion externe la température du fluide de travail sortant du compresseur 8c n'a plus la moindre importance en terme de combustion ou d'explosion), un échangeur thermique principal 9 chauffant le fluide de travail avant sa détente, un cylindre de détente adiabatique 8d, et enfin un échangeur thermique secondaire 17 sur le circuit retour 15. Le fonctionnement du mécanisme en circuit fermé correspond en tout point au fonctionnement en circuit ouvert du mécanisme de la figure 12.

Afin de ne pas s'appesantir inutilement sur les mécanismes des variantes de l'invention, moteur et thermique, pointe en bas et pointe en haut, dont l'homme de l'art déduira aisément les éléments et le fonctionnement à partir des descriptions faites et de ce schéma, nous donnerons brièvement leur fonctionnement selon le mécanisme de la figure 13. En mode moteur, cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en haut combiné avec un cycle moteur à explosion, le mécanisme comprend un compresseur adiabatique 8d, un mécanisme de détente isotherme haute température 6, et adiabatique 8c. La détente isotherme chaude spécifique au cycle triangulaire pointe en haut est combinée avec une détente adiabatique spécifique au cycle moteur à explosion. Le flux du fluide de travail est celui indicé 16 de la figure. Le flux 16 garde la même direction pour les cycles moteurs et s'inverse pour les cycles thermiques.

En mode thermique, cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas, le mécanisme travaille comme suit. Le fluide de travail chaud issu du compresseur adiabatique 8d cède sa chaleur dans l'échangeur principal 9. Refroidi, il est dans un premier temps détendu en adiabatique par le mécanisme de détente 8c, sa température devient celle de la source froide, l'échangeur 9p est optionnel, il est ensuite détendu par le mécanisme de détente isotherme 6 (détente froide) avant d'être admis dans le compresseur adiabatique 8d il traverse un échangeur 17 (cycle trapézoïdal) dans lequel le fluide reçoit une quantité de chaleur Qr. Notons que le choix d'un échangeur 17, propre au cycle trapézoïdal, est en quelque sorte redondant avec le choix du mécanisme 8c ; sauf application spécifique. En mode thermique, cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en haut, le mécanisme travaille comme suit. Le fluide sortant du mécanisme de détente adiabatique 8d reçoit une quantité de chaleur Qc en traversant l'échangeur thermique principal 9. Le compresseur 8c élève sa température à celle que produit le mécanisme. L'échangeur 9p est optionnel. Le compresseur isotherme haute température 6 compresse le fluide de travail et fournit une chaleur Qi. Après expulsion, le fluide chaud traverse un échangeur 17 (cycle trapézoïdal) et lui cède une part de sa chaleur. Puis le fluide de travail est détendu en adiabatique par l'élément 8d et il en ressort froid. En mode moteur, cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en haut, le mécanisme travaille comme suit. Le compresseur adiabatique 8d compresse le fluide de travail. En cycle trapézoïdal le fluide échauffé traverse un échangeur thermique secondaire 17 où il est porté à la température de la source chaude. Le mécanisme de détente isotherme 6 lui fait subir une détente isotherme chaude. Expulsé il traverse un échangeur optionnel 9p et termine sa détente dans le mécanisme adiabatique 8c. Légèrement refroidi il cède sa chaleur Qc dans l'échangeur principal 9 avant d'être admis en compression dans le compresseur adiabatique 8d. Dans ces modes moteur et thermique l'échangeur 9p peut être associé à l'échangeur 17 afm que la quantité de chaleur prélevée par l'un de ces échangeurs corresponde à la quantité de chaleur fournie 40 par l'autre échangeur.

La figure 14 montre un schéma d'échangeur interne dont le brevet a été déposé conjointement à celui-ci et dont l'invention tirera avantage à l'exploiter. L'échangeur 35 est interne au volume de travail 34 du piston 4. Ici, il est de forme cylindrique. Le volume de travail 34 est défini par les surfaces qui l'entourent : le piston 4, la culasse 33, le cylindre 32 et le volume de l'échangeur interne 35. Le piston 4 est muni d'une gorge 36 correspondant au volume de l'échangeur 35 de sorte que lorsque le piston remonte vers son point mort haut l'échangeur interne 35 s'imbrique dans la gorge 36 du piston. Le jeu 37 séparant l'échangeur interne 35 du piston 4 peut être considérablement réduit en donnant à l'échangeur une forme conique selon sa section de sorte que l'emboitement de l'échangeur et du piston se fasse aisément, quelles que soient les circonstances, mais qu'en position haute les deux pièces soient parfaitement emboitées. Compte tenu que l'échangeur 35 ne subit aucune contrainte mécanique ses performances thermiques peuvent être librement développées et optimisées. Sa position idéale, au centre du volume de travail, de toute part baigné par le fluide de travail concourt à ce but. L'échangeur interne 35 minimise les pertes thermiques avec l'environnement extérieur au volume de travail et maximalise les échanges thermiques avec le fluide de travail dans lequel il est plongé. La figure comprend également une soupape 10, le fond de gorge 38 qui correspond à la base de la tête de piston, la gorge périphérique 30 recevant un segment pour l'étanchéité. De cette manière des compresseurs isothermes performants peuvent être conçus. 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 2 en 1 voire 3 en 1. 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 aussi bien valoriser sa source froide afin d'améliorer son rendement, surtout lorsque celle-ci consiste en un flux de matière froide en quantité limitée. Ce en quoi excelle l'invention. 40

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 de ce fluide de travail et enfin d'une détente (respectivement une compression) adiabatique du fluide de travail (cycle moteur triangulaire pointe en bas, 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 (cycle triangulaire thermique pointe en bas, respectivement, pointe en haut), soit une compression (respectivement une détente) isotherme d'un fluide de travail, suivie d'un échauffement ou refroidissement 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 (cycle moteur trapézoïdal pointe en bas, respectivement, pointe en haut), soit une compression (respectivement une 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 et d'un refroidissement ou réchauffement du fluide de travail de moindre importance par rapport au premier (cycle thermique trapézoïdal pointe en bas, respectivement, pointe en haut) caractérisé en ce 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 (triangulaire modifié) le fluide de travail se trouve être dans l'état initial et qu'en circuit ouvert l'état final (expulsion) est identique ou voisin de l'état initial (admission) en cycle triangulaire, et que le mécanisme exploite une énergie solaire, ou géothermale, ou la chaleur d'un flux ou d'une masse de matière (gaz, liquide ou solide), ou un combustible (fossile, recyclable, l'hydrogène,...), ou la chaleur d'un accumulateur thermique ou d'un régénérateur, lorsque l'énergie exploitée est thermique celle-ci est ou chaude ou froide, ou qu'il exploite plusieurs de ces énergies simultanément ou alternativement.
2) Dispositif mécanique, moteur ou thermique, en circuit ouvert ou en circuit fermé, selon la revendication précédente caractérisé en ce que le cycle triangulaire ou trapézoïdal est combiné à un ou plusieurs cycles natifs, les cycles natifs pouvant être les cycles de Beau de Rochas, Diesel, turbine à gaz, turbopropulseur, turboréacteur ou de type Carnot (cycle de Carnot, Stirling ou Ericsson), que l'élément isotherme 6 a une composante adiabatique ou que l'élément adiabatique 8 a une composante isotherme, cette composition des détentes (respectivement compressions) isotherme et adiabatique est obtenue soit par l'association de deux mécanismes de détente (respectivement compression) spécialisés soit par un seul mécanisme gérant l'un puis l'autre (isotherme/adiabatique) ou un mélange confondant isotherme et adiabatique de sorte que le dispositif produit des cycles combinés 2 en 1 ou 3 en 1, ou que, lorsque la composition est accomplie par deux mécanismes spécialisés isotherme et adiabatique, un échangeur thermique est introduit entre les deux mécanismes ; lorsque le cycle est moteur triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas à combustion interne ou externe, la combinaison à un cycle tel que de Beau de Rochas ou Diesel correspond à la modification de la compression isotherme du cycle triangulaire en une compression en partie isotherme et en partie adiabatique et la combinaison à un cycle de type Carnot correspond à lamodification de la détente adiabatique du cycle triangulaire en une détente en partie isotherme et en partie adiabatique, la modification de ces composantes de compression ou de détente peut être accomplie soit par un même mécanisme accomplissant l'une puis l'autre ou l'une et l'autre confusément soit la compression (6 par exemple) ou la détente (8 ou 8d) modifiée est (sont) accomplie(s) par deux mécanismes spécialisés (6a et 6b ou 8a et 8b) dont l'un est isotherme (6a ou 8a) et l'autre adiabatique (6b ou 8b).
3) Dispositif mécanique de cycle trapézoïdal, pointe en haut ou pointe en bas ou de cycle combiné 2 en 1 ou 3 en 1, selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que, selon le cycle du mécanisme, ou bien la chaleur Qr non consommée par le mécanisme et prélevée par l'échangeur 17 est recyclée par le mécanisme en participant à la chaleur Qc transmise au fluide de travail par l'échangeur 9, ou bien une partie de la chaleur Qc prélevée par l'échangeur 9 sert à chauffer le fluide de travail dans l'échangeur 17 lui affectant la quantité de chaleur Qr, l'échangeur secondaire 17 est relié à l'échangeur principal 9 ou à un sous élément de celui-ci (l'échangeur 17 correspond à l'échangeur thermique de moindre importance des deux échanges thermiques du cycle trapézoïdal alors que l'échangeur 9 est l'échangeur principal), que ce lien peut prendre la forme d'une connexion reliant les deux échangeurs 17 et 9 par un circuit parcouru par un fluide caloporteur, cette connexion est soit permanente soit commandée par un mécanisme de commande qui gère les flux, le circuit reliant les deux échangeurs peut comprendre un dispositif de stockage de la chaleur tel qu'un régénérateur, que selon des variantes un dispositif comprenant des chicanes peut être placé avant l'échangeur secondaire 17 ou avant l'échangeur principal 9 ou être intégré à cet échangeur, en fonction de la direction 16 du flux du fluide de travail et du cycle du mécanisme, afin de faire chuter la pression du fluide de travail à la sortie du mécanisme de détente et de transformer sa surpression en chaleur, cette configuration et le recyclage qu'il permet donne au mécanisme de gagner en rendement lorsqu'iI est moteur, en efficacité lorsqu'il est thermique.
4) Dispositif mécanique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le mécanisme est un mécanisme axial ou un mécanisme rotatif ou un mécanisme à piston linéaire ou vérin ou un mécanisme à piston, que ce dernier soit un mécanisme à piston-bielle-vilebrequin ou à piston oscillant, que l'oscillation soit celle d'un mouvement continu ou alternatif, que le piston soit à simple ou double effet, ou que le mécanisme dispose d'un mécanisme d'embiellage ou d'un dispositif qui permet de prolonger un ou les temps morts, point mort haut ou bas, ou de modifier ou de contrôler le mouvement de la pièce dynamique 4 afin de lui donner localement un mouvement plus lent ou plus rapide que son mouvement naturel sans ce dispositif, ou que le mécanisme isotherme réalise une isotherme par morceaux, c'est-à-dire que le travail est composé de séquences d'adiabatiques suivies d'échanges thermiques.
5) Dispositif mécanique selon l'une des revendications précédentes (mécanisme moteur ou thermique, en circuit fermé ou en circuit ouvert) caractérisé en ce qu'il comprend, en circuit fermé, un compresseur isotherme 6 (respectivement mécanisme de détente isotherme), au moins un échangeur thermique 9 sur le circuit thermique principal 25, un mécanisme de détente adiabatique 8 (respectivement compression adiabatique) et d'un circuit de retour ou circuit thermique secondaire 15, que le circuit thermique secondaire 15 peut avoir un ou plusieurs échangeurs 17, lescompresseur et mécanisme de détente 6 et 8 disposent de soupapes, vannes ou clapets associés à un mécanisme de commande ordonnant leur ouverture et fermeture, que l'admission du mécanisme isotherme 6 est connecté à l'échappement du mécanisme adiabatique 8 et l'admission du mécanisme adiabatique 8 est connecté à l'échappement du mécanisme isotherme 6 via le circuits thermique principal 25 et le circuit retour ou thermique secondaire 15 (les éléments 6, 25, 8 et 15 forment un circuit fermé ; en mode moteur l'échappement de l'élément isotherme 6 correspond à l'admission de l'élément adiabatique 8 via le circuit thermique principal 25 et l'admission de l'élément isotherme 6 correspond à l'échappement de l'élément adiabatique 8 via le circuit thermique secondaire 15, en mode thermique le flux est inversé l'échappement de l'élément isotherme 6 correspond à d'admission de l'élément adiabatique 8 via le circuit thermique secondaire 15), qu'en circuit ouvert le mécanisme est celui du mécanisme en circuit fermé pour lequel l'ouverture du circuit fermé (6, 25, 8 et 15) du mécanisme fermé précédent est faite comme suit : si le mécanisme est à cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en bas le circuit thermique secondaire 15 du dispositif mécanique circuit fermé précédent est ouvert au niveau du point g, l'échangeur 17 (optionnel) est lié à l'élément adiabatique 8, l'admission et l'échappement du mécanisme sont faits par la soupape 10 et l'échangeur 17 (l'échangeur 17 est l'échappement du mécanisme moteur et est l'admission du mécanisme thermique), si le mécanisme est à cycle triangulaire ou trapézoïdal pointe en haut alors le circuit thermique principal 25 est ouvert au niveau du point h, l'échangeur 9 est lié à l'élément isotherme 6, l'admission et l'échappement du mécanisme sont faits par la soupape 12 et l'échangeur 9 (l'échangeur 9 est l'échappement du mécanisme moteur et l'admission du mécanisme thermique), que, conformément à la revendication 3 le mécanisme fermé ou ouvert peut avoir l'échangeur 17 connecté à l'échangeur 9 ou à un sous élément de celui-ci afin de recycler la chaleur Qr, qu'elle soit retirée ou transmise au flux de fluide de travail traversant l'échangeur 17 (selon les cycles moteur / thermique, pointe en bas / pointe en haut), que selon certaines dispositions le circuit 25 du dispositif mécanique comprend un réservoir 14 (le mécanisme travaille en isobare) ou un déplaceur 19 (le mécanisme travaille en isochore) ou que le circuit 15 du dispositif mécanique comprend un réservoir 14, ou que le circuit 25 du dispositif mécanique est dédoublé en deux circuit 15a et 15b disposant de leurs soupapes lla et 12a, llb et 12b (le mécanisme travaille en isochore).
6) Dispositif mécanique à cycle combiné 2 en 1 ou 3 en 1, moteur ou thermique, selon l'une des revendications précédentes (principalement la revendication 2) caractérisé en ce qu'il dispose d'un échangeur thermique 9p sur le circuit thermique principal 25 situé entre l'élément isotherme 6 et l'élément adiabatique 8c associé à l'élément 6, que, selon certaines dispositions, l'échangeur thermique 9p est relié à l'échangeur thermique 17 ainsi, selon un fonctionnement en mode moteur, la chaleur résiduelle Qr après détente peut être recyclée en servant à préchauffer le fluide de travail issu du compresseur isotherme 6 grâce à quoi le mécanisme peut travailler selon une stratégie de perte thermique entretenue et recyclée.
7) Moteur à combustion interne ou externe selon l'une des revendications précédentes caractérisé en que ce l'échangeur 9 est remplacé par une chambre à combustion 20, ou que l'échangeur 9 est associé à une chambre à combustion 20, ou que le mécanisme de détente adiabatique 8 ou 8d dispose de bougie ou d'injecteur 21, ou que le mécanisme de détente 8 ou 8daprès la chambre à combustion 20 est une tuyère (le moteur est alors un turbo réacteur), ou que le mécanisme de détente adiabatique 8 ou 8d dispose d'un échangeur thermique lui permettant de réaliser un début de détente isotherme chaude ; ainsi un moteur cumulant un échangeur 9 et une chambre à combustion 20 peut avoir l'architecture suivante : un compresseur isotherme 6 muni d'une soupape d'admission 10 (qui correspond à l'admission du moteur) et une soupape d'échappement ouvrant sur le volume du circuit thermique principal 25, le circuit thermique principal 25 comprend un échangeur thermique 9 et une chambre à combustion 20, l'autre extrémité du circuit 25 est reliée à l'admission du mécanisme de détente adiabatique 8, l'admission du mécanisme de détente adiabatique est contrôlée par la soupape 12, l'échappement du mécanisme de détente adiabatique 8 est contrôlée par la soupape 13 et donne sur un échangeur 17 qui correspond à l'échappement du moteur, conformément à la revendication 3 la chaleur rejetée par les gaz brulés détendus (cycle trapézoïdal) peut être recyclée grâce à l'échangeur 17 lequel est connecté à l'échangeur 9, la chaleur Qr contribue à préchauffer l'air frais compressé issu du compresseur isotherme 6.
8) Moteur à combustion interne ou externe selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il réalise un début de détente de type isotherme à haute température en procédant par une longue injection de faible quantité de combustible ou par de brèves injections de combustible de manière à créer un cycle combiné 2 en lou 3 en 1, ou que le moteur soit à combustion interne et externe afin que par la combustion externe la température de l'air compressé soit élevée tout en économisant l'oxygène qu'il contient le réservant pour un usage plus efficace tel que la combustion lente à très haute température.
9) Dispositif mécanique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il dispose d'un calculateur, que ce calculateur est le mécanisme de commande du dispositif mécanique qui gère les soupapes ou l'injection ou l'allumage ou le/les échangeurs thermiques ou les flux du fluide caloporteur ou les rapports de vitesse ou d'embrayage ou les énergies exploitées, que le calculateur dispose d'un ou de plusieurs algorithmes permettant de gérer et d'optimiser le fonctionnement du mécanisme de manière prédéfinie ou de manière dynamique que dans ce but il dispose de capteurs de température, de pression, de position ou de vitesse, ces données internes et externes au mécanisme permettent à son ou ses algorithmes d'adapter leurs consignes en temps réel.
10) Mécanisme selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est constitué de l'association de plusieurs dispositifs selon l'une de ces revendications, que ces dispositifs peuvent partager certains composants communs (tels que des régénérateurs, échangeurs, déplaceur, tête de bruleur, mécanisme de commande, vilebrequin, réservoir,...), que ces dispositifs peuvent avoir des cycles distincts ou peuvent être déphasés, ou que ce mécanisme à cycle triangulaire ou trapézoïdal (pointe en bas ou pointe en haut) est associé à un autre mécanisme (non nécessairement selon l'invention) à cycle triangulaire ou trapézoïdal (pointe en haut ou pointe en bas, le contraire du premier mécanisme qui est selon l'invention) de sorte que l'association des deux mécanismes constitue un mécanisme de type Carnot.40