FR2965581A1

FR2965581A1 - Moteur a chambre active incluse mono et/ou bi energie a air comprime et/ou a energie additionnelle

Info

Publication number: FR2965581A1
Application number: FR1058005A
Authority: FR
Inventors: Guy Negre; Cyril Negre
Original assignee: MDI Motor Development International SA
Current assignee: MDI Motor Development International SA
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2012-04-06
Anticipated expiration: 2030-10-04
Also published as: CU20130051A7; AP3564A; PE20140472A1; MA34543B1; UA113278C2; EA201390479A1; KR20130117783A; AU2011311695A1; CL2013000828A1; EP2625385A1; MX2013002592A; IL225296A0; MY164380A; BR112013008073A2; CA2810930C; JP2013542367A; CN103201457B; SG189276A1; US20130239563A1; GEP20156344B

Abstract

L'invention propose un moteur à chambre active incluse, comportant au moins un piston (2) monté coulissant dans un cylindre (1) et entraînant un vilebrequin (5) au moyen d'un dispositif bielle-manivelle (3,4) et fonctionnant selon un cycle thermodynamique à quatre phases comportant : une détente isotherme sans travail, un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme, une détente polytropique avec travail, un échappement à pression ambiante, qui est alimenté préférentiellement par de l'air comprimé contenu dans un réservoir de stockage à haute pression (12), à travers une capacité tampon dite capacité de travail (11), qui est détendu à une pression moyenne dite pression de travail dans une capacité de travail (11), préférentiellement à travers un dispositif de détendeur dynamique (13), caractérisé en ce que la chambre active (CA) est incluse dans le cylindre moteur, le volume du cylindre (1) étant balayé par le piston et divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant la chambre active (CA) et une deuxième partie constituant la chambre de détente (CD).

Description

i MOTEUR A CHAMBRE ACTIVE INCLUSE MONO ET/OU BI-ENERGIE A AIR COMPRIME ET/OU A ENERGIE ADDITIONNELLE

L'invention concerne un moteur fonctionnant notamment s avec de l'air comprimé, ou tout autre gaz, et utilisant une chambre dite « chambre active ». Les inventeurs ont déposé de nombreux brevets concernant des motorisations ainsi que leurs installations, utilisant des gaz et plus particulièrement de l'air comprimé pour io un fonctionnement totalement propre en site urbain et suburbain : Ils ont notamment déposé une demande de brevet internationale WO-A1-03/036088 au contenu duquel on pourra se reporter, concernant un groupe moto-compresseur - moto-alternateur à injection d'air comprimé additionnel fonctionnant en ls mono-énergie et en pluri-énergies. Dans ces types de moteur fonctionnant avec de l'air comprimé et comportant un réservoir de stockage d'air comprimé, il est nécessaire de détendre l'air comprimé stocké à très haute pression dans le réservoir mais dont la pression diminue au fur et 20 à mesure que le réservoir se vide, à une pression intermédiaire stable dite pression finale d'utilisation, dans une capacité tampon - dite capacité de travail - avant son utilisation dans le ou les cylindres moteurs. Les détendeurs conventionnels à clapets et ressorts bien 25 connus ont des débits très faibles et leur utilisation pour cette application demande des appareils très lourds et peu performants. En outre, ils sont très sensibles au givrage dû à l'humidité de l'air refroidi lors de la détente. Pour résoudre ce problème, les inventeurs ont aussi 30 déposé une demande de brevet WO-A1-03/089764, au contenu de laquelle on pourra se reporter, concernant un détendeur dynamique à débit variable et une distribution pour moteurs alimentés avec injection d'air comprimé, comportant un réservoir d'air comprimé à haute pression et une capacité de travail. 35 Dans le fonctionnement de ces moteurs à « détente de charge » le remplissage de la chambre d'expansion représente toujours une détente sans travail nuisible au rendement général de la machine.

Pour résoudre le problème indiqué ci-dessus les inventeurs ont encore déposé une demande de brevet WO-A1-2005/049968 décrivant un moteur à air comprimé alimenté préférentiellement par de l'air comprimé ou tout autre gaz comprimé contenu dans s un réservoir de stockage à haute pression, préalablement détendu à une pression nominale de travail dans une capacité tampon dite capacité de travail. La capacité de travail en version bi-énergies comporte un dispositif de réchauffage de l'air alimenté par une énergie additionnelle (fossile ou autre énergie) permettant io d'augmenter la température et/ou la pression de l'air qui la traverse. Dans ce type de moteur selon WO-A1-2005/049968 : - la chambre d'expansion est constituée d'un volume variable équipé de moyens permettant de produire un travail, elle ls est jumelée et en contact par un passage permanent avec l'espace compris au-dessus du piston moteur principal qui est équipé d'un dispositif d'arrêt du piston à son point mort haut, - durant l'arrêt du piston moteur à son point mort haut, l'air ou le gaz sous pression est admis dans la chambre d'expansion 20 lorsque celle-ci est à son plus petit volume et, sous la poussée, va augmenter son volume en produisant un travail, - la chambre d'expansion étant maintenue sensiblement à son volume maximum, l'air comprimé qui y est contenu se détend ensuite dans le cylindre moteur en repoussant ainsi le piston 25 moteur dans sa course descendante en fournissant un travail à son tour, - durant la remontée du piston moteur pendant le temps échappement, le volume variable de la chambre d'expansion est ramené à son plus petit volume pour recommencer un cycle de 30 travail complet. La chambre d'expansion du moteur selon cette invention participe activement au travail. Le moteur est ainsi dit moteur à « chambre active ». WO-A1-2005/049968 revendique notamment un cycle 35 thermodynamique en quatre phases lors de son fonctionnement en mode mono énergie air comprimé caractérisé par : - une détente isotherme sans travail ; - un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme ; - une détente polytropique avec travail ; - un échappement à pression ambiante. s Le document WO-A1-2008/028881, qui présente une variante de WO-A1-2005/049968, revendique le même cycle thermodynamique mais en utilisant un dispositif bielle-manivelle traditionnel. Il est alimenté préférentiellement par de l'air comprimé ou tout autre gaz comprimé contenu dans un réservoir io de stockage à haute pression, préalablement détendu à une pression nominale de travail dans une capacité tampon dite capacité de travail. La capacité de travail en version bi-énergies comporte un dispositif de réchauffage de l'air alimenté par une énergie additionnelle (fossile ou autre énergie) permettant ls d'augmenter la température et/ou la pression de l'air qui la traverse. Dans ce type de moteur selon WO-A1-2008/028881 : - la chambre d'expansion, dite chambre active, est constituée d'un volume variable équipé de moyens permettant de 20 produire un travail et elle est reliée par un passage comportant un obturateur permettant ainsi de l'isoler ou de la mettre en contact avec le volume compris dans le cylindre moteur au-dessus du piston moteur à son point mort haut ; - l'air ou le gaz sous pression est admis dans la chambre 25 active lorsque celle-ci est à son plus petit volume et, sous la poussée va augmenter son volume en produisant un travail ; - lorsque la chambre active est sensiblement à son volume maximum, et le piston moteur sensiblement à son point mort haut, l'admission est obturée, ladite chambre est mise en communi- 30 cation avec le cylindre moteur et l'air comprimé y contenu se détend repoussant ainsi le piston moteur dans sa course descendante en fournissant un travail à son tour ; - durant la détente le volume de la chambre active est ramené à son volume minimum pour permettre un nouveau cycle. 35 La chambre d'expansion du moteur selon l'invention participe activement au travail. Les moteurs selon WO-A1-2005/049968 et WO-A1-2008/028881 sont dits moteurs à chambre active.

Pour un fonctionnement optimisé de ces derniers types de moteur il faut prendre en compte les pertes de charge lors du transfert de la chambre active à la chambre de détente pour le WO-A1-2008/028881, ainsi que les volumes morts engendrés par s la construction du transfert pour le WO-A1-2005/049968. La présente invention propose de résoudre ce problème tout en simplifiant la construction de la machine. Le moteur à chambre active incluse selon l'invention utilise les mêmes cycles thermodynamiques que WO-A1-2005/049968 et io WO-A1-2008/028881 décrits ci-avant, ainsi qu'un dispositif bielle manivelle traditionnel. L'invention propose ainsi un moteur à chambre active incluse, comportant au moins un piston monté coulissant dans un cylindre et entraînant un vilebrequin au moyen d'un dispositif ls bielle-manivelle traditionnel et fonctionnant selon un cycle thermodynamique à quatre phases comportant : - une détente isotherme sans travail ; - un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme ; 20 - une détente polytropique avec travail ; - un échappement à pression ambiante ; alimenté préférentiellement par de l'air comprimé, ou tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression, à travers une capacité tampon dite capacité de travail 25 qui est alimentée par de l'air comprimé, ou tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression, qui est détendu à une pression moyenne dite pression de travail dans une capacité de travail préférentiellement à travers un dispositif de détendeur dynamique, 30 caractérisé : - en ce que la chambre active est incluse/incorporée dans le cylindre moteur ; - en ce qu'il comporte au moins un piston monté coulissant dans au moins un cylindre dont le volume balayé par le piston est 35 divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant la chambre active CA et une deuxième partie constituant la chambre de détente ; - en ce que le cylindre est fermé en sa partie supérieure par une culasse comportant au moins un conduit et orifice d'admission et au moins un conduit et orifice d'échappement et qui est aménagé de telle sorte que, lorsque le piston est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston et la culasse est, par construction, sinon inexistant, mais réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston et la culasse ; - en ce que l'air comprimé ou le gaz sous pression est io admis dans le cylindre au dessus du piston lorsque le volume de la chambre active CA est à son plus petit volume et, qui, sous la poussée continue de l'air comprimé à pression constante de travail va augmenter son volume en produisant un travail représentant la phase de transfert quasi-isotherme ; 15 - en ce que l'admission de l'air comprimé, ou du gaz sous pression, dans le cylindre est obturée dés lors que le volume maximal de la chambre active CA est atteint, et que la quantité d'air comprimé, ou du gaz sous pression, comprise dans ladite chambre active se détend alors en repoussant le piston sur la 20 deuxième partie de sa course qui détermine la chambre de détente CD en produisant un travail assurant ainsi la phase de détente ; - en ce que, le piston ayant atteint son point mort bas, l'orifice d'échappement est alors ouvert pour assurer la phase 25 d'échappement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course. Le volume de la chambre active incluse CA et le volume de la chambre de détente CD sont dimensionnés de telle sorte qu'à la pression nominale de fonctionnement du moteur la pression en 30 fin de détente au point mort bas est proche de la pression atmosphérique. Pour exemple, à la pression nominale de fonctionnement de 20 bars, un moteur de 300 cm3 de cylindrée totale - c'est-à- dire le volume de la chambre active plus le volume de la chambre 35 de détente - le volume de la chambre active incluse CA sera de 35 cm3, atteint à 45 degrés de rotation moteur après le point mort haut, et le volume de la chambre de détente CD sera de 265 cm3, et la pression au point mort bas à l'ouverture de l'échappement sera de 1,03 bar. Le moteur selon l'invention est avantageusement équipé d'un détendeur à débit variable selon WO-A1-03/089764, dit s détendeur dynamique, qui permet d'alimenter la capacité de travail à sa pression nominale de fonctionnement par de l'air comprimé provenant du réservoir à haute pression de stockage en effectuant une détente sans travail de type isotherme. Le cycle thermodynamique du moteur à chambre active io incluse est identique à celui de WO-A1-2005/049968 et de WO-A1-2008/028881. Il est caractérisé par une détente isotherme sans travail permise par le détendeur dynamique, suivie d'un transfert accompagné d'une très légère détente quasi isotherme - par exemple une capacité de 3 000 centimètres cube dans une ls capacité de 3050 centimètres cube - avec travail par l'utilisation de la pression de l'air compris dans la capacité de travail durant le remplissage de la chambre d'expansion, puis suivie d'une détente polytropique de la chambre d'expansion dans le cylindre moteur avec travail et abaissement considérable de la 20 température, pour se terminer par l'échappement de l'air détendu à l'atmosphère. Il n'est pas rare que la température de l'échappement d'un tel type de moteur se retrouve à des valeurs de l'ordre de -75 à -100 degrés centigrade en dessous de la température ambiante. 25 Préférentiellement, et notamment en fonctionnement mono énergie à air comprimé, le moteur à chambre active incluse selon l'invention comporte plusieurs étages de cylindres successifs en cascade dont chacun est conçu et fonctionne selon le principe de l'invention qui vient d'être défini, ces cylindres consécutifs étant 30 de cylindrées croissantes. Le premier cylindre, de cylindrée la plus petite, est alimenté en air comprimé par la capacité de travail. Le ou les cylindres suivants, de cylindrées croissantes, sont alimentés en air comprimé par l'échappement du cylindre 35 amont/précédent. Un ou plusieurs échangeur(s) thermique(s) avec l'atmosphère est/sont positionné(s) entre chaque cylindre, c'est-à-dire entre deux cylindres consécutifs, permettant d'augmenter la température de l'air de l'échappement du cylindre précédent pour la ramener proche de la température ambiante et augmenter ainsi le volume de l'air échappé. La cylindrée totale, le volume de la chambre active incluse s et le volume de la chambre de détente de chaque cylindre sont dimensionnés de telle sorte que le volume de l'air échappé de chacun des cylindres, à savoir le volume de la cylindrée totale majoré de l'augmentation de volume provoqué par l'augmentation de la température dans les échangeurs, soient sensiblement io équivalents au volume de la chambre active incluse du cylindre suivant. En fonction du nombre de cylindres choisi, et de la cylindrée totale du moteur, les caractéristiques de chaque cylindre sont définies de telle sorte que les températures ls d'échappement de chaque cylindre soient sensiblement identiques. En conséquence, les facteurs d'abaissement de la pression à l'échappement se retrouvent eux aussi sensiblement similaires. A titre d'exemple non limitatif, un moteur de 3 cylindres 20 selon l'invention d'une cylindrée totale de 508,7 cm3 alimenté par une capacité de travail à pression nominale de 100 bars aura les caractéristiques suivantes : Cylindre 1 Cylindre 2 Cylindre 3 Cylindrée cm3 19,7 89 400 Volume de la chambre active incluse cm3 5,5 26 129 Volume de la chambre de détente cm3 14,2 63 271 Pression d'admission bar 100 22,3 4,7 Température d'admission K 293 293 293 Pression d'échappement bar 22,3 4,7 1 Température d'échappement K 197 195 195 Dans son application bi-énergies selon l'invention, et en 25 mode avec carburant additionnel, l'air comprimé à la température ambiante contenu dans la capacité de travail est réchauffé à pression constante par une énergie additionnelle dans un réchauffeur thermique. Cette disposition permet d'augmenter la quantité d'énergie utilisable et disponible par le fait que l'air 30 comprimé, avant son introduction dans la chambre active CA, va accroître sa température et augmenter de volume en permettant l'augmentation de l'autonomie d'une machine (par exemple un véhicule automobile) équipée du moteur selon l'invention, dans la proportion de ladite augmentation de volume.

Il s'agit d'un chauffage isobare et le fait de multiplier par deux la température permet de doubler le volume utile d'air comprimé, et ainsi de suite. Ainsi un réservoir de 200 litres d'air comprimé à 200 bars, s soit 40 m3 d'air à 293K (20° Celsius) permettra de disposer à 586K (soit 313° Celsius) de 80 m3 d'air comprimé. La combustion, démarrant à la température ambiante, permet avec peu d'énergie d'obtenir des résultats considérables en restant en dessous des températures de formation d'oxyde io d'azote particulièrement polluantes. L'utilisation d'un dispositif de réchauffage thermique, ou réchauffeur thermique, présente l'avantage de pouvoir utiliser des combustions continues propres qui peuvent être catalysées ou dépolluées par tous moyens connus dans le but d'obtenir des émissions infimes de polluants. ls Le réchauffeur thermique peut utiliser pour énergie un carburant fossile tel que de l'essence, du gazole ou bien du gaz GPL ou GNV. Le réchauffeur peut aussi utiliser des biocarburants ou de l'alcool/éthanol, en permettant de réaliser ainsi un fonctionnement bi-énergies à combustion externe, dans lequel un 20 brûleur va provoquer une élévation de température. Le réchauffeur peut aussi utiliser des procédés thermochimiques permettant cette élévation de la température. Selon une variante de l'invention, le moteur à chambre active utilise l'énergie solaire pour réchauffer l'air comprimé et il 25 est équipé à cet effet d'une parabole solaire, ou de tout autre système de récupération de l'énergie solaire, focalisant dans une chambre permettant l'augmentation de température de l'air comprimé qui traverse la capacité de travail. Cette caractéristique permet d'augmenter la quantité 30 d'énergie utilisable et disponible par le fait que l'air comprimé, avant son introduction dans la chambre active incluse, va accroître sa température et augmenter de volume en permettant l'augmentation de l'autonomie de la machine équipée du moteur selon l'invention, dans la proportion de ladite augmentation de 3s volume. Les différentes énergies utilisées peuvent être utilisées séparément ou en combinaison.

Dans le cas d'un moteur bi-énergies comportant plusieurs cylindres, les moyens permettant le réchauffement de l'air par énergie additionnelle sont préférentiellement installés entre les deux derniers cylindres pour permettre de conserver l'apport s d'énergie thermique ambiante lors de l'augmentation de température dans le ou les échangeurs thermiques positionnés entre les cylindres précédents. Toutefois des dispositifs de réchauffage et/ou de complément de réchauffe entre chaque paire de cylindres io pourront être utilisés, sans pour autant changer le principe de la présente invention. Selon une variante de cette disposition, après chaque étage, l'air de l'échappement est dirigé vers un seul réchauffeur à plusieurs étages en permettant ainsi de n'utiliser qu'une seule ls source de combustion. En mode de fonctionnement avec énergie additionnelle, le cycle thermodynamique du premier cylindre comprend alors cinq phases: - une détente isotherme ; 20 - une augmentation de la température ; - un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme ; - une détente polytropique avec travail ; - un échappement à pression ambiante ; 25 Et le cycle thermodynamique des cylindres suivants/consécutifs dans le cas d'un pluri-cylindres comprend quatre phases : - une augmentation de la température ; - un transfert - légère détente avec travail dit quasi-30 isotherme ; - une détente polytropique avec travail ; - un échappement à pression ambiante ; En mode à air comprimé, par exemple sur un véhicule automobile en site urbain, seule la pression de l'air comprimé 35 dans le réservoir à haute pression est utilisée pour le fonctionnement. En fonctionnement en mode avec énergie additionnelle, fossile ou autre, par exemple sur un véhicule automobile sur route, le réchauffage de la capacité de travail est 2965581 io alors commandé, en permettant ainsi d'augmenter la température de l'air qui traverse la capacité de travail, et par voie de conséquence le volume et/ou la pression utilisable pour le travail de charge de la chambre active et de la détente. s Le moteur selon l'invention est piloté en couple et en régime, par le contrôle de la pression dans la capacité de travail, ce contrôle étant avantageusement assuré par le détendeur dynamique, lorsqu'il fonctionne en mode bi-énergies avec énergie additionnelle (fossile ou autre) et au moyen d'un io calculateur électronique qui équipe le moteur et qui contrôle la quantité d'énergie additionnelle apportée, en fonction de la pression dans ladite capacité de travail. Selon une variante de l'invention qui permet le fonctionnement autonome en bi-énergies du moteur selon ls l'invention, le moteur à chambre active incluse est couplé à un compresseur d'air permettant, pendant son fonctionnement avec l'énergie additionnelle, d'alimenter en air comprimé le réservoir de stockage d'air comprimé à haute pression. Préférentiellement, un échangeur thermique est positionné entre le compresseur et le 20 réservoir de stockage, de telle sorte que l'air comprimé à haute pression à température élevée en sortie du compresseur retrouve, dans le réservoir, une température proche de la température ambiante. Le moteur à chambre active incluse mono-énergie et bi- ts énergies ainsi équipé fonctionne selon trois modes : - le fonctionnement en mode mono-énergie - zéro pollution - avec l'air préalablement comprimé contenu dans le réservoir de stockage à haute pression ; - le fonctionnement en mode bi-énergies avec l'air 30 préalablement comprimé contenu dans le réservoir de stockage à haute pression, plus avec l'énergie additionnelle apportée par le réchauffeur thermique ; - le fonctionnement en mode bi-énergies autonome avec l'air comprimé dans le réservoir par un compresseur d'air entraîné 35 par le moteur, plus avec l'énergie additionnelle apportée par le réchauffeur thermique. ii Les échangeurs thermiques peuvent être des échangeurs air/air ou air/liquide, ou tout autre dispositif ou gaz produisant l'effet recherché de réchauffage. Le moteur à chambre active selon l'invention peut être s utilisé sur tous véhicules terrestres, maritimes, ferroviaires, aéronautiques. Le moteur à chambre active selon l'invention peut aussi et avantageusement trouver son application dans les groupes électrogènes de secours, de même que dans de nombreuses applications domestiques de cogénération produisant io de l'électricité, du chauffage et de la climatisation. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, à titre non limitatif, de plusieurs modes de réalisation, faite en regard des dessins annexés dans lesquels : ls - la figure 1 représente schématiquement un moteur à chambre active incluse selon l'invention qui est illustré en coupe axiale à son point mort bas, et son dispositif d'alimentation en air comprimé ; - les figures 2 à 4 représentent, sur des vues 20 schématiques en coupe, les différentes phases de fonctionnement du moteur selon l'invention ; - la figure 5 représente, vu en coupe, un moteur à chambre active incluse pluri-cylindres selon l'invention comportant trois étages ; 25 - la figure 6 représente schématiquement un moteur à chambre active incluse, vu en coupe, et son dispositif d'alimentation en air à haute pression comportant un dispositif de réchauffage de l'air comprimé au moyen d'une parabole solaire ; - la figure 7 représente, vu en coupe, un moteur pluri- 30 cylindres et son dispositif de réchauffage par combustion ; - la figure 8 représente schématiquement un moteur à chambre active incluse selon l'invention couplé à un compresseur alimentant le réservoir de stockage ; La figure 1 représente un moteur à chambre active selon 35 l'invention sur laquelle on peut voir un cylindre moteur 1 dans lequel coulisse un piston 2 relié par une bielle 3 au maneton 4 d'un vilebrequin 5.

Le cylindre moteur 1 selon l'invention est divisé selon une ligne DD' (correspondant à un plan de division orthogonal à l'axe du cylindre) en deux parties : une première partie constituant la chambre active incluse CA et une deuxième partie constituant la s chambre de détente CD. Le cylindre moteur 1 est coiffé d'une culasse 6 comportant un conduit d'admission 7 et un conduit d'échappement 8, ainsi que des moyens associés d'obturation desdits conduits, ces moyens étant ici des soupapes d'admission 9 et d'échappement 10 10 respectivement. Le conduit d'admission est relié à une capacité de travail 11 à pression de travail qui est alimentée par un réservoir à haute pression 12 à travers un détendeur dynamique 13. L'air comprimé à haute pression contenu dans le réservoir 15 de stockage à haute pression 12 est détendu à la pression de travail dans la capacité de travail 11 à travers le détendeur dynamique 13 en effectuant ainsi la première phase du cycle thermodynamique : une détente isotherme sans travail Un dispositif (non représenté), commandé par la pédale 20 d'accélérateur, commande le détendeur dynamique 13 pour permettre de réguler la pression dans la chambre de travail et pour permettre ainsi de piloter le moteur. La figure 2 représente le moteur à chambre active CA incluse selon l'invention en cours d'admission, la soupape 25 d'admission 9 ayant été ouverte dès le point mort haut. L'air comprimé à pression nominale de travail contenu dans la capacité de travail 11 alimente à pression constante la chambre active incluse CA et repousse le piston 2 dans sa course descendante en produisant un travail et en effectuant la deuxième phase du 30 cycle thermodynamique : transfert avec légère détente avec travail dit quasi-isotherme. La figure 3 représente le moteur à chambre active incluse CA selon l'invention alors que le piston 2 atteint la ligne DD', moment auquel le volume de la chambre active CA se trouve à la 35 pression nominale de travail identique à la pression de l'air contenu dans la capacité de travail 11. La soupape d'admission 9 est fermée et interrompt l'arrivée de l'air sous pression. L'air comprimé à la pression nominale contenu dans la chambre active CA se détend alors en repoussant le piston 1 vers son point mort bas (figure 4) en faisant un travail moteur de détente et en effectuant la troisième phase du cycle thermodynamique : Détente polytropique avec travail. s Le piston 1 atteint ensuite son point mort bas (figure 1) et la soupape d'échappement 10 est alors ouverte pour évacuer, à travers le conduit d'échappement 8, l'air détendu - à une pression proche de la pression atmosphérique - vers l'atmosphère durant sa course de remontée en effectuant la quatrième phase du cycle 10 thermodynamique : échappement à pression ambiante/atmosphérique. La figure 5 représente un moteur pluri-cylindres à trois étages de cylindrées croissantes selon l'invention. On peut voir, de gauche à droite, le premier cylindre 1 de cylindrée la plus 15 petite dans lequel coulisse un piston 2 relié par une bielle 3 au maneton 4 d'un vilebrequin 5. Ce cylindre moteur 1 est divisé selon une ligne DD' en deux parties : une chambre active CA et une chambre de détente partielle CD (non visible sur le dessin). Le cylindre moteur 1 est coiffé d'une culasse 6 comportant un 20 conduit d'admission 7 et un conduit d'échappement 8 ainsi que des moyens d'obturation de ces conduits qui sont ici des soupapes d'admission 9 et d'échappement 10. Le conduit d'admission 7 est relié à une capacité de travail 11 à pression de travail alimentée par le réservoir à haute pression 12 à travers un 25 détendeur dynamique 13. Le conduit d'échappement 8 débouche à l'entrée d'un premier échangeur thermique air/air 14. Le deuxième étage est constitué d'un deuxième cylindre 1A, dont la cylindrée est supérieure à celle du premier cylindre 1, dans lequel coulisse un piston 2A relié par une bielle 3A au 30 maneton 4A du vilebrequin commun 5. Le deuxième cylindre moteur 1A est divisé selon une ligne DD' en deux parties : une deuxième chambre active CA1 dont le volume est sensiblement égal à la cylindrée du premier cylindre 1 augmenté de l'augmentation de volume provoquée par le réchauffement de 35 l'échappement dans l'échangeur air/air 14, et une deuxième chambre de détente partielle CD1. Le deuxième cylindre moteur 1A est coiffé d'une culasse commune 6 comportant un conduit d'admission 7A et un conduit d'échappement 8A, ainsi que des moyens d'obturation desdits conduits qui sont ici des soupapes d'admission 9A et d'échappement 10A. Le conduit d'admission 7A est relié à la sortie de l'échangeur thermique air/air 14 qui l'alimente en air comprimé à la pression constante de l'échappe- s ment du premier cylindre. Le conduit d'échappement 8A débouche à l'entrée d'un deuxième échangeur thermique air/air 15. Le troisième étage est constitué d'un troisième cylindre 1B dont la cylindrée est encore plus importante et est supérieure à la cylindrée du deuxième cylindre 1A, dans lequel coulisse un piston 10 2B relié par une bielle 3B au maneton 4B du vilebrequin commun 5. Le cylindre moteur 1B est divisé selon une ligne DD' en deux parties : une troisième chambre active CA2 dont le volume est sensiblement égal à la cylindrée du deuxième cylindre 1A augmenté de l'augmentation de volume provoqué par le 15 réchauffement de l'échappement dans le deuxième échangeur thermique air/air 15 et une troisième chambre de détente CD2 non visible sur le dessin. Le cylindre moteur 1B est coiffé de la culasse 6, ici commune aux trois cylindres, comportant un conduit d'admission 7B et un conduit d'échappement 8B ainsi que des 20 moyens d'obturation de ces conduits qui sont ici des soupapes d'admission 9B et d'échappement 10B. Le conduit d'admission 7B est relié à la sortie du deuxième échangeur thermique air/air 15 qui l'alimente en air comprimé à une pression constante de l'échappement du deuxième cylindre 1A. Le conduit d'échappe- 25 ment 8B débouche à l'atmosphère. L'air comprimé à haute pression contenu dans le réservoir de stockage à haute pression 12 est détendu par le détendeur dynamique 13 à une pression nominale de travail qui, dans ce cas, peut être beaucoup plus élevée - par exemple 100 bars - que 30 dans le cas d'un moteur monocylindre tel que décrit plus haut. Les valeurs de volumes, de pressions et de températures indiquées dans la description ci-après du fonctionnement sont données à titre d'exemple non limitatif d'une réalisation réaliste et possible de l'invention. 35 Lorsque le piston 2 du premier cylindre 1 est à son point mort haut, la soupape d'admission 9 est ouverte et l'air comprimé à pression nominale de travail contenu dans la capacité de travail 11 alimente à pression constante la chambre active incluse CA du premier cylindre 1 et repousse le piston 2 dans sa course descendante en produisant un travail. Le piston 2 atteint la ligne DD' à laquelle le volume de la chambre active CA de 5.5 cc se trouve à la pression nominale de travail de 100 bars identique à la pression de l'air contenu dans la capacité de travail 11. La soupape d'admission 9 est fermée et elle interrompt l'arrivée de l'air sous pression. L'air comprimé à la pression nominale contenue dans la chambre active CA se détend partiellement dans la chambre de détente en repoussant le piston 1 vers son point mort bas en faisant un travail moteur de détente. Lors de cette détente partielle, l'air comprimé se refroidit à moins 78 degrés. Le premier piston 1 arrive à son point mort bas alors que la pression de l'air contenu dans le cylindre 1 d'un volume total donné de 90 cm3 est encore importante, de l'ordre de 20 bars. La soupape d'échappement 10 est alors ouverte et le piston 1 repousse à pression quasi constante l'air comprimé dans l'échangeur air/air 14 dans lequel il va s'échauffer et retrouver sensiblement la température ambiante en augmentant de volume pour passer de 20 cm3 à 26 cm3.

Lorsque le piston 2A du deuxième cylindre 1A est à son point mort, haut la soupape d'admission 9A est ouverte et l'air comprimé à pression secondaire de travail contenu dans l'échangeur 14 alimente à pression constante (20 bars) la deuxième chambre active incluse CA1 du cylindre 1A et repousse le deuxième piston 2A dans sa course descendante en produisant un travail. Le piston 2A atteint la ligne DD' à laquelle le volume de la deuxième chambre active CA1 de 26 cm3 se trouve à la pression secondaire de travail de 20 bars identique à la pression de l'air contenu dans l'échangeur 14. La soupape d'admission 9A est fermée et interrompt l'arrivé de l'air sous pression. L'air comprimé à la pression secondaire (20 bars) contenu dans la deuxième chambre active CA1 se détend alors partiellement en repoussant le deuxième piston 1A vers son point mort bas en faisant un travail moteur de détente.

Lors de cette détente partielle, l'air comprimé se refroidit à moins 78 degrés. Le deuxième piston 1A arrive à son point mort bas alors que la pression de l'air contenu dans le deuxième cylindre 1A, d'un volume total donné de 90 cm3, est encore importante de l'ordre de 5 bars La soupape d'échappement 10A est alors ouverte et le deuxième piston 1A repousse à pression quasi constante l'air comprimé dans le deuxième échangeur air/air 15 dans lequel il va s'échauffer et retrouver sensiblement s la température ambiante en augmentant de volume pour passer de 90 cm3 à 129 cm3. Lorsque le troisième piston 2B du troisième cylindre 1B est à son point mort haut, la soupape d'admission 9B est ouverte et l'air comprimé à pression tertiaire de travail - 5 bars - contenu 10 dans le deuxième échangeur 15 alimente à pression constante la troisième chambre active incluse CA2 du troisième cylindre 1B et repousse le piston 2B dans sa course descendante en produisant un travail, le piston 2B atteint la ligne DD' à laquelle le volume de la troisième chambre active CA2 de 129 cm3 se trouve à la 15 pression tertiaire de travail - 5 bars - identique a la pression de l'air contenu dans le deuxième échangeur 15. La soupape d'admission 9B est fermée et elle interrompt l'arrivée de l'air sous pression. L'air comprimé à la pression tertiaire contenu dans la troisième chambre active CA2 se détend alors complètement en 20 repoussant le troisième piston 1B vers son point mort bas en faisant un travail moteur de détente, pour atteindre la pression atmosphérique. Lors de cette détente, l'air comprimé se refroidit à moins 78 degrés. Le troisième piston 1B arrive à son point mort bas 25 alors que la pression de l'air contenu dans le troisième cylindre 1B d'un volume total donné de 400 cm3 est proche de la pression atmosphérique et la soupape d'échappement 8B est alors ouverte et le troisième piston 2B repousse à l'atmosphère l'air contenu dans le troisième cylindre 1 B.

30 La figure 6 représente un moteur à chambre active incluse selon l'invention et son dispositif d'alimentation en air à haute pression comportant un dispositif de réchauffage de l'air comprimé par une parabole solaire 16 qui focalise dans la capacité de travail en permettant l'augmentation de la 35 température de l'air comprimé qui la traverse. Cet agencement permet d'augmenter la quantité d'énergie utilisable et disponible par le fait que l'air comprimé, avant son introduction dans la chambre active incluse, va accroître sa température et augmenter de pression et/ou de volume en permettant l'augmentation des performances du moteur et/ou de l'autonomie du véhicule équipé du moteur. La figure 7 représente le moteur à chambre active incluse s pluri-cylindres en version bi-énergies sur laquelle on peut voir un dispositif schématique 17 de réchauffage de l'air comprimé positionné entre le dernier (deuxième) échangeur thermique 15 et l'admission du dernier (troisième) cylindre avec apport d'énergie additionnelle. Ce dispositif de réchauffage est ici un brûleur 17 io alimenté par une bouteille de gaz 18. La combustion mise ne oeuvre est donc ainsi ici une combustion externe-interne et elle permet d'augmenter considérablement le volume et/ou la pression de l'air comprimé en provenance de l'échappement du cylindre précédent (deuxième cylindre). ls La figure 8 représente le moteur à chambre active incluse fonctionnant en mode bi-énergies autonome avec l'énergie dite additionnelle fossile ou végétale lorsque, selon une variante de l'invention, il entraîne un compresseur 19 d'air comprimé qui alimente le réservoir de stockage 12 à travers un échangeur 20 thermique air/air 20. Le fonctionnement général du moteur est identique à celui décrit précédemment en référence aux figures 1 à 4. Toutefois cette disposition additionnelle permet de remplir le réservoir de stockage en cours d'utilisation, au moyen d'une énergie additionnelle.

25 Par comparaison avec l'état de la technique constitué par les inventions précédentes des inventeurs relatives aux moteurs dits à « chambre active », la présente invention propose un procédé de pilotage du fonctionnement d'un moteur comportant au moins un cylindre fermé par une culasse et balayé par un piston, 30 avec possibilité d'arrêt du piston au point mort haut, qui permet d'incorporer/d'inclure fonctionnellement et ainsi structurellement une chambre active CA qui, dans lesdites inventions précédentes, était « externe » au cylindre auquel cette chambre active « externe » était reliée.

35 Cette inclusion/incorporation de la chambre active CA dans le cylindre ne permet pas seulement une simplification structurelle d'un moteur à air ou gaz comprimé dit à chambre active, mais elle 2965581 is permet aussi une amélioration de ses performances et de son rendement. Le moteur à chambre active incluse selon l'invention a été décrit avec un fonctionnement avec de l'air comprimé. Toutefois, s il peut utiliser n'importe quel gaz comprimé/gaz à haute pression, sans pour autant sortir du champ de l'invention revendiquée. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisations décrits et représentés : les matériaux, les moyens de commande, les dispositifs décrits peuvent varier dans la limite des io équivalents, pour produire les mêmes résultats. Le nombre de cylindres moteurs, leurs cylindrées, le volume maximum de la chambre active par rapport au volume déplacé du/des cylindre(s) et le nombre d'étages de détente, peuvent varier.

Claims

REVENDICATIONS1.- Moteur à chambre active incluse, comportant au moins un piston (2) monté coulissant dans un cylindre (1) et entraînant un vilebrequin (5) au moyen d'un dispositif bielle-manivelle (3,4) s traditionnel et fonctionnant selon un cycle thermodynamique à quatre phases comportant : - une détente isotherme sans travail ; - un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme ; 10 - une détente polytropique avec travail ; - un échappement à pression ambiante ; alimenté préférentiellement par de l'air comprimé, ou par tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression (12), à travers une capacité tampon dite capacité 15 de travail (1 1) qui est alimentée par de l'air comprimé, ou tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression (12), qui est détendu à une pression moyenne dite pression de travail dans une capacité de travail (1 1), préférentiellement à travers un dispositif de détendeur dynamique 20 (13), caractérisé : - en ce que la chambre active est incluse dans le cylindre moteur ; - en ce qu'il comporte au moins un piston monté coulissant 25 (2) dans au moins un cylindre (1) dont le volume balayé par le piston est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant la chambre active (CA) et une deuxième partie constituant la chambre de détente (CD) ; - en ce que le cylindre (1) est fermé en sa partie 30 supérieure par une culasse (6) comportant au moins un conduit et orifice d'admission (7) et au moins un conduit et orifice d'échappement (9) et qui est aménagé de telle sorte que, lorsque le piston (2) est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston et la culasse (6) est, par construction, sinon 35 inexistant, mais réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston et la culasse ; - en ce que l'air comprimé ou le gaz sous pression est admis dans le cylindre au dessus du piston lorsque le volume dela chambre active (CA) est à son plus petit volume et, qui, sous la poussée continue de l'air comprimé, ou tout autre gaz, à pression constante de travail va augmenter son volume en produisant un travail représentant la phase de transfert quasi-isotherme ; s - en ce que l'admission de l'air comprimé, ou du gaz sous pression, dans le cylindre est obturée dés lors que le volume maximal de la chambre active (CA) est atteint, et que la quantité d'air comprimé, ou du gaz sous pression, comprise dans ladite chambre active se détend alors en repoussant le piston sur la io deuxième partie de sa course qui détermine la chambre de détente (CD) en produisant un travail assurant ainsi la phase de détente ; - en ce que, le piston ayant atteint son point mort bas, l'orifice d'échappement est alors ouvert pour assurer la phase ls d'échappement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course.
2.- Moteur à chambre active incluse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume de la chambre active incluse (CA) et le volume de la chambre de détente (CD) sont 20 dimensionnés de telle sorte que, à la pression nominale de fonctionnement du moteur, la pression en fin de détente au point mort bas est proche de la pression atmosphérique.
3.- Moteur à chambre active incluse selon les revendications 1 et 2, caractérisé : 25 - en ce qu'il comporte plusieurs cylindres consécutifs (1 ; 1A ;1B) de cylindrée croissante fonctionnant chacun selon le même principe qui vient d'être décrit ; - en ce que le premier cylindre de plus petite cylindrée est alimenté en air comprimé, ou du gaz sous pression, par la 30 capacité de travail (1 1) et que le ou les cylindres suivants sont chacun alimentés par l'échappement (8A, 8B) du cylindre précédent ; - en ce que un ou plusieurs échangeur(s) thermique(s) avec l'atmosphère est/sont positionné(s) entre chaque cylindre 35 permettant d'augmenter la température de l'air de l'échappement du cylindre précédent pour la ramener proche de la température ambiante et augmenter ainsi le volume de l'air échappé.
4.- Moteur à chambre active incluse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans son application bi-énergies, caractérisé en ce que la capacité de travail (13) comporte un dispositif de réchauffage (17) par une énergie additionnelle, s fossile ou autre de l'air comprimé, ou du gaz sous pression, à pression constante ledit dispositif de réchauffage permettant d'augmenter la température de l'air ou du gaz qui le traverse et d'augmenter la quantité d'énergie utilisable et disponible par le fait que l'air comprimé, ou du gaz sous pression, avant son io introduction dans la chambre active, va accroître sa température et augmenter de volume en permettant l'augmentation de l'autonomie d'une machine équipée du moteur selon l'invention, dans la proportion de ladite augmentation de volume.
5.- Moteur à chambre active incluse selon les ls revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'un dispositif de réchauffage à pression constante est positionné entre les deux derniers desdits cylindres consécutifs, après l'échangeur, ledit dispositif permettant d'augmenter la température de l'air ou du gaz qui le traverse et d'augmenter la quantité d'énergie utilisable 20 et disponible par le fait que l'air comprimé, ou le gaz sous pression, avant son introduction dans la chambre active, va accroître sa température et augmenter de volume en permettant l'augmentation de l'autonomie d'une machine équipée du moteur selon l'invention. 25
6.- Moteur à chambre active incluse dans son application bi-énergies, selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le dispositif de réchauffage comporte une parabole solaire focalisant dans la capacité de travail pour permettre l'augmentation de la température de l'air comprimé, ou du gaz 30 sous pression, et d'augmenter la quantité d'énergie utilisable et disponible par le fait que l'air comprimé, ou le gaz sous pression, avant son introduction dans la chambre active, va accroître sa température et augmenter de volume en permettant l'augmentation de l'autonomie d'une machine équipée du moteur selon 35 l'invention.
7.- Moteur à chambre active selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le couple et lerégime du moteur sont pilotés par le contrôle de la pression dans la capacité de travail (1 1).
8.- Moteur à chambre active incluse selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que, lors du s fonctionnement en mode bi-énergies avec énergie additionnelle, un calculateur électronique contrôle la quantité d'énergie apportée en fonction de la pression de l'air comprimé, ou du gaz sous pression, et donc de la masse d'air, ou de gaz, introduite dans la capacité de travail. io
9.- Moteur à chambre active incluse selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans son application bi-énergies autonome, caractérisé en ce que le moteur est couplé avec et entraîne un compresseur de l'air, ou du gaz, permettant, pendant son fonctionnement avec l'énergie additionnelle, d'alimenter en ls air comprimé, ou en gaz sous pression, le réservoir de stockage.
10. Moteur à chambre active incluse selon la revendication précédente, caractérisé en ce que un échangeur thermique est positionné entre le compresseur et le réservoir de stockage telle sorte que l'air comprimé, ou le gaz, à haute pression à 20 température élevée en sortie du compresseur retrouve dans le réservoir une température proche de la température ambiante.
11.- Moteur à chambre active incluse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il fonctionne selon trois modes pouvant être utilisés 25 séparément ou en combinaison : - le fonctionnement mono-énergie zéro pollution, avec l'air, ou le gaz, préalablement comprimé contenu dans le réservoir de stockage à haute pression ; - le fonctionnement bi-énergies avec l'air, ou le gaz, 30 préalablement comprimé contenu dans le réservoir plus l'énergie additionnelle apportée par un dispositif de réchauffage ; - le fonctionnement bi-énergies autonome avec l'air, ou le gaz, comprimé dans le réservoir par un compresseur entraîné par le moteur plus l'énergie additionnelle apportée par le dispositif de 35 réchauffage.