FR3066227A1 - Moteur a combustion interne avec compression isotherme haute pression d’un flux d’air admis - Google Patents

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Abstract

L'invention porte sur un procédé d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne à cycle réparti ou associé à une turbine à gaz comprenant au moins un cylindre de combustion (2) d'un mélange d'air et de carburant en son intérieur, une compression à basse pression d'un premier flux d'air étant effectuée, le premier flux étant stocké dans un réservoir basse pression (9), une compression d'un deuxième flux comprimé étant aussi effectuée. Il est effectué une compression à haute pression supérieure à 400 bars d'un troisième flux avec un débit suffisamment faible d'air comprimé pour réaliser une compression haute pression isotherme. Le troisième flux est stocké dans un réservoir haute pression (4) et ajouté prioritairement au premier flux pour une alimentation du moteur, une alimentation par le deuxième flux étant alors suspendue, le deuxième flux étant ajouté au premier flux quand le réservoir haute pression (4) est vide.

Description

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE AVEC COMPRESSION ISOTHERME HAUTE PRESSION D’UN FLUX D’AIR ADMIS
[0001] L’invention concerne un moteur à combustion interne à cycle réparti ou à turbine avec une compression isotherme haute pression d’une partie d’un flux d’air admis au moteur. Un tel moteur présente l’avantage de diminuer les émissions globales car une amélioration du rendement passe par une réduction des émissions, de même que de présenter un rendement et une densité de puissance améliorés. Le moteur à combustion interne de la présente invention peut être utilisé préférentiellement pour un véhicule automobile.
[0002] Il est connu d’utiliser un moteur à combustion interne avec un cycle réparti pour lequel un ou des cylindres sont dédiés à la compression de l’air admis et un cylindre est dédié à la combustion puis à l’expansion de l’air admis, les gaz résultant de la combustion étant évacués dans une ligne d’échappement dans le cas spécifique et non limitatif d’un véhicule automobile. Cette technique est aussi connue sous le nom anglo-saxon de « Split Cycle >> dont la traduction en français a été donnée précédemment ou peut être aussi cycle fractionné.
[0003] Il s’ensuit que, dans un moteur à cycle réparti, il est séparé dans au moins deux cylindres distincts les quatre temps d’un cycle Beau de Rochas habituellement concentrés dans un seul cylindre du moteur. En effet, dans un moteur conventionnel, les quatre phases du cycle, c’est-à-dire l’admission, la compression, la détente et l’échappement se suivent dans la durée pour chacun des cylindres du moteur.
[0004] Dans un moteur à cycle réparti, les phases d’admission, de compression, d’une part, de détente et d’échappement, d’autre part, se situent dans deux cylindres différents et peuvent alors être exécutées simultanément avec un phasage adéquat. Les deux cylindres, respectivement dédiés, d’une part, à la compression et, d’autre part, à la combustion et à l’expansion ou détente, réalisent deux cycles en deux tours moteur, soit autant qu’un bicylindre quatre temps de même cylindrée.
[0005] On peut alors optimiser chacun des cylindres en fonction de leur utilisation, soit en admission et compression pour le premier cylindre, soit en combustion, détente et échappement pour le deuxième. En fin de compression, la charge est transférée du piston compresseur vers le piston détendeur. En plus de l’optimisation géométrique de chacun des cylindres, on peut aussi gagner sur le rendement thermodynamique en adaptant la gestion thermique à chacune des fonctions, par exemple en effectuant un refroidissement pour le cylindre de compression et une isolation pour le cylindre de détente.
[0006] Par rapport à un moteur conventionnel, un moteur à cycle réparti aura la même cylindrée à puissance comparable. Le concept peut parfaitement être appliqué à tout type de motorisation à combustion interne, par exemple Diesel ou essence.
[0007] La principale rupture du concept à cycle réparti est donc de ne plus considérer chaque cylindre du moteur comme étant à la fois un compresseur et un détendeur, mais de pouvoir optimiser un compresseur d’un côté et un détendeur de l’autre, avec une phase de transfert entre les deux. Il s’ensuit qu’il n’y a plus n cylindres identiques à gérer mais n/2 couples de cylindres compresseurs et détendeurs. Pour un tel cycle réparti, il convient de prendre en compte la double gestion thermique, le transfert d’une charge de gaz comprimé, c’est-à-dire la pression relativement élevée à la fois dans le compresseur et dans le détendeur et la synchronisation des couples de cylindres.
[0008] Il en va de même pour un moteur à combustion interne dit à turbine à gaz comportant une turbine d’un turbocompresseur pour lequel la présente invention est aussi applicable. Une turbine à gaz, aussi dénommée turbine à combustion est une machine tournante thermodynamique appartenant à la famille des moteurs à combustion interne dont le rôle est de produire soit de l’énergie mécanique par l'entraînement en rotation d'un arbre lui-même couplé à une machine industrielle ou à une hélice, ou de l’énergie cinétique par détente des gaz en sortie de turbine dans une tuyère. Dans ce qui va suivre l’appellation moteur à combustion interne regroupe aussi bien les moteurs à cycle réparti que les turbines à gaz ou les moteurs pouvant s’apparenter à un de ces deux types de moteur.
[0009] Pour un moteur à cycle réparti ou une turbine à gaz, il est nécessaire de comprimer l’air admis au moteur à un certain niveau, avant de rentrer dans un échangeur de chaleur qui récupère l’énergie. Le travail de compression, dans un tel moteur est loin d’être idéal. Une compression idéale est une compression qui coûte le moins d’énergie entre un niveau de pression initial et un niveau de pression final. Selon les critères de la thermodynamique, une compression idéale est une compression isotherme qui ne peut être assurée dans le cas de ces deux types de moteur, parce qu’il n’y a pas assez de temps pour refroidir l’air en le comprimant.
[0010] Le document FR-A-2 758 589 décrit un procédé de récupération d'énergie thermique environnante pour moteur ou véhicules équipés de moteurs dépollués fonctionnant avec une injection d'air comprimé additionnel dans la chambre de combustion et ayant un réservoir de stockage d'air comprimé haute pression. L'air comprimé haute pression contenu dans le réservoir est, préalablement à son injection dans la chambre, détendu dans un système à volume variable tel un ensemble piston cylindre, produisant un travail qui est utilisé par des moyens mécaniques.
[0011] Cette détente, à la pression d'injection, avec travail a pour conséquence de refroidir l'air à une très basse température. Cet air est ensuite propulsé dans un échangeur thermique où il va se réchauffer et augmenter ainsi sa pression et/ou son volume en ayant récupéré un apport d'énergie thermique provenant de l'atmosphère.
[0012] Bien qu’il soit relatif à un système de stockage par air comprimé, ce document ne divulgue pas comment augmenter le rendement d’un moteur à combustion interne à cycle réparti ou associé à une turbine à gaz par action sur l’air d’admission en amont du moteur, afin de réduire le travail de compression et d’achever des taux de compression et des densités de stockage plus importants.
[0013] Par conséquent, le problème à la base de l’invention est pour un moteur à combustion interne à cycle réparti ou associé à une turbine à gaz comprenant au moins un cylindre dit de détente dédié à une combustion de rapprocher le plus possible le rendement de ce moteur d’un rendement optimal.
[0014] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un procédé d’alimentation en air d’un moteur à combustion interne à cycle réparti ou associé à une turbine à gaz comprenant au moins un cylindre de combustion d’un mélange d’air et de carburant en son intérieur, une compression à basse pression d’un premier flux d’air étant effectuée et le premier flux étant stocké dans un réservoir basse pression, une compression d’un deuxième flux d’air comprimé étant aussi effectuée, caractérisé en ce qu’il est effectué une compression à haute pression supérieure à 400 bars d’un troisième flux d’air avec un débit suffisamment faible d’air comprimé pour réaliser une compression haute pression isotherme, le troisième flux d’air étant stocké dans un réservoir haute pression, le troisième flux d’air étant ajouté prioritairement au premier flux d’air pour une alimentation en air du moteur, une alimentation par le deuxième flux d’air étant alors suspendue, le deuxième flux d’air étant ajouté au premier flux d’air pour l’alimentation en air du moteur quand le réservoir haute pression est vide.
[0015] Pour un moteur à combustion interne à cycle réparti ou associé à une turbine à gaz dite turbine de détente, il est nécessaire de comprimer l’air admis au moteur à une pression prédéterminée avant de rentrer dans un échangeur de chaleur qui récupère l’énergie. Le travail de compression, dans un tel moteur est loin d’être idéal bien que supérieur à un moteur à combustion interne classique. Une compression optimale est une compression qui coûte le moins d’énergie entre un niveau de pression initial et un niveau de pression final. Selon les lois de la thermodynamique, une compression optimale est une compression isotherme et ne peut donc être assurée dans le cas d’un tel moteur à cycle réparti ou à turbine de détente parce qu’il n’y a pas assez de temps pour refroidir l’air en le comprimant.
[0016] C’est pour cela que, même si on réalise des compressions avec un refroidisseur, on n’atteint pas la compression optimale en termes de travail nécessaire. Du coup, le rendement moteur reste inférieur au rendement idéal qui est celui obtenu lors d’un cycle connu sous le nom de cycle de Carnot.
[0017] L’invention consiste à proposer un système d’admission d’air commun à celui d’un moteur à cycle réparti ou d’un moteur associé à une turbine à gaz en lui ajoutant la possibilité de stocker de l’air comprimé à haute pression d’une façon isotherme, ce qui nécessite le moins de travail nécessaire, ceci dans un réservoir d’air comprimé à haute pression.
[0018] L’alimentation par ce flux d’air comprimé à haute pression pourra durer un certain temps fonction de la taille du réservoir de stockage, en assurant alors un très haut rendement approchant le rendement de Carnot. Le reste du temps, le système d’admission d’air fonctionne comme selon l’état de la technique pour un tel moteur à cycle réparti ou à turbine à gaz mais le rendement dégradé alors obtenu est quand même supérieur à celui d’un moteur classique.
[0019] L’invention concerne aussi un moteur à combustion interne à cycle réparti ou à turbine à gaz comprenant au moins un cylindre de combustion d’un mélange d’air et de carburant en son intérieur, le moteur étant alimenté par un système d’admission d’air mettant en œuvre un tel procédé, le système comprenant au moins un élément de compression à basse pression et un réservoir basse pression pour un premier flux et au moins un élément de compression pour un deuxième flux, caractérisé en ce que le système comprend un élément de compression haute pression au-dessus de 400 bars et un réservoir haute pression pour un troisième flux, l’élément de compression haute pression comportant des moyens de limitation du débit d’air en entrée afin de réaliser une compression haute pression isotherme, le système comprenant des moyens de contrôle des flux d’air pilotant l’ajout vers le moteur des premier et troisième flux tant que le réservoir haute pression contient de l’air et des premier et deuxième flux quand le réservoir haute pression est vide.
[0020] La présente invention propose un système d’admission d’air sous pression offrant durant une certaine durée, fonction de la capacité de stockage du troisième flux haute pression, un rendement qui dépasse les 60% du fait d’une compression isotherme permettant de stocker de l’air haute pression dans un réservoir de stockage. L’air comprimé sera utilisé pour alimenter le moteur sans besoin de travail de compression, habituellement effectué dans un ou des cylindres par un piston de compression respectif ou par un ou des compresseurs.
[0021] Un tel circuit à stockage d’air comprimé haute pression est relativement moins cher qu’un système de stockage à batterie. Dans ce cas, on peut imaginer une fonction hybride par stockage d’air comprimé à la place du stockage par batterie lorsque le système d’admission d’air sous pression fonctionne en mode normal, sans ajout du troisième flux d’air sous haute pression stocké après avoir subi une compression isotherme dans le réservoir haute pression.
[0022] Avantageusement, de l’air du troisième flux quitte le réservoir haute pression vers le réservoir basse pression en se détendant dans une turbine intermédiaire et en traversant un premier échangeur de chaleur et le deuxième flux circule dans une conduite présentant un piquage sur une conduite principale d’admission d’air au moteur partant du réservoir basse pression, le piquage se trouvant en aval du réservoir basse pression, un deuxième échangeur de chaleur étant disposé en aval du piquage et en amont dudit au moins un cylindre de combustion et de détente.
[0023] Avantageusement, le deuxième échangeur de chaleur est couplé à un troisième échangeur de chaleur pour former un récupérateur de chaleur en deux parties, le deuxième échangeur de chaleur échangeant avec l’air admis dans la conduite principale d’admission et le troisième échangeur de chaleur échangeant avec les gaz d’échappement quittant au moins un cylindre de détente doté d’un piston de détente ou au moins une turbine de détente disposé en aval du moteur à combustion interne.
[0024] Avantageusement, ledit au moins un élément de compression à basse pression et ledit au moins un élément de compression du deuxième flux sont le même élément, une vanne étant disposée en aval dudit au moins un élément de compression et en amont du réservoir basse pression, la vanne dirigeant séquentiellement le deuxième flux vers le piquage ou vers le réservoir basse pression.
[0025] Avantageusement, l’élément de compression haute pression est un compresseur électrique à piston.
[0026] Avantageusement, l’élément de compression du premier flux est au moins un compresseur mécanique relié à une chaîne de traction associée au moteur.
[0027] Avantageusement, ledit au moins un élément de compression du deuxième flux est au moins un cylindre de compression doté d’un piston, ledit au moins un piston de compression effectuant une compression de l’air du deuxième flux.
[0028] Avantageusement, ledit au moins un élément de compression est au moins une machine de compression volumétrique ou centrifuge ou un compresseur à piston de compression comprimant l’air en amont dudit au moins un cylindre de combustion.
[0029] Avantageusement, ledit au moins un élément de compression du deuxième flux comprend au moins deux cylindres avec un piston de compression respectif, au moins deux machines de compression volumétrique ou centrifuge ou au moins deux compresseurs à piston de compression se succédant, l’air subissant une compression au moins bi-étagée, un refroidisseur d’air étant intercalé entre lesdits au moins deux cylindres, lesdites au moins deux machines de compression volumétrique ou centrifuge ou lesdits au moins deux compresseurs à piston de compression.
[0030] Ceci peut aussi être valable pour une détente dans ce cas bi-étagée ou multi-étagée. Ces caractéristiques permettent d’obtenir une amélioration notoire du rendement et du travail spécifique net d’un moteur à cycle réparti et une diminution des émissions de polluants tels que les oxydes d’azote, ceci sans besoin d’une ligne de recirculation des gaz d’échappement à l’admission du moteur. Quand on divise la compression ou la détente en deux ou plus, en récupérant l’énergie de sortie, il est approché d’une compression ou d’une détente isotherme ou adiabatique, la plus favorable pour le rendement du moteur, sans pour autant l’atteindre, ce qui est le cas pour le troisième flux d’air. Ceci n’était pas possible avec un moteur à cycle réparti selon l’état de la technique.
[0031] L’invention concerne un véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend un tel moteur à combustion interne.
[0032] L’invention fournit un système d’admission d’air comprimé au moteur à très haut rendement approchant le rendement de Carnot et offrant une possibilité d’hybridation par air comprimé peu coûteuse comparée à de l’hybride électrique. Avec ce type de système d’admission d’air, on peut atteindre des rendements très élevés offrant la possibilité de baisser fortement les émissions de CO2 et d’autres polluants.
[0033] Dans le cas du moteur à cycle réparti, la solution proposée par la présente invention permet de garder le moteur à architecture piston-bielle-manivelle qui a fait ses preuves en le modifiant uniquement par l’ajout d’un circuit d’admission d’air haute pression correspondant au troisième flux décrit précédemment. Il permet aussi d’économiser dans les lignes de production. Pour un moteur associé à une turbine, l’architecture d’un tel moteur peut aussi être conservée moyennant l’ajout du circuit d’admission d’air haute pression.
[0034] Ceci renforce l’intérêt que montrent les constructeurs automobiles pour les moteurs à cycle réparti et va augmenter leur attraction. Ces moteurs présentent des intérêts en terme de rendement et donc en terme d’émissions directes, rendement que va encore améliorer la mise en œuvre du procédé selon la présente invention.
[0035] Pour les turbines à gaz, grâce à leur simplicité, leur densité de puissance, leur taille, leur masse et leur capacité à opérer avec différents types de carburants, le système d’admission d’air selon la présente invention peut se révéler particulièrement intéressant surtout pour des architectures du type hybride ou pour une greffe d’un moteur à combustion interne en tant que générateur d’électricité auxiliaire.
[0036] En plus d’améliorer le rendement du moteur et de diminuer encore les émissions, un moteur selon la présente invention assure aussi d’autres besoins énergétiques du véhicule automobile et notamment la climatisation de l’habitacle du véhicule automobile.
[0037] D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : - les figures 1 à 8 sont des représentations schématiques de divers modes de réalisation d’un moteur à cycle réparti ou d’un moteur à turbine à gaz selon la présente invention, - la figure 9 illustre des courbes de pression P en fonction du volume spécifique selon respectivement un cycle de Carnot, un cycle de Stirling et un cycle d’Ericsson.
[0038] Il est à garder à l’esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l’invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité.
[0039] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées. Amont et aval sont pris dans le sens de l’écoulement des flux d’air vers une admission du moteur. Il en va de même pour les flux de gaz sortant de la chambre de combustion du moteur.
[0040] En se référant à toutes les figures, la présente invention concerne un procédé d’alimentation en air d’un moteur à combustion interne à cycle réparti ou associé à une turbine à gaz.
[0041] Dans un moteur à cycle réparti comme précédemment décrit, les phases d’admission, de compression et de détente, et enfin d’échappement se situent dans deux unités de volume différent et peuvent alors être exécutées simultanément avec un phasage adéquat. Ces deux cylindres réalisent deux cycles en deux tours moteur, soit autant qu’un bicylindre quatre temps de même cylindrée.
[0042] Le même fonctionnement peut être envisagé avec une machine du type turbine à gaz, où le piston compresseur présent dans un moteur à cycle réparti peut être remplacé par un compresseur et le piston de détente par une turbine, alors que la combustion aura place en amont de la turbine dans une chambre de combustion 15.
[0043] Les figures 1,3, 5, 6 illustrent un moteur à cycle réparti avec au moins un cylindre de compression 10,10a doté d’un piston et au moins un cylindre de combustion 2 doté d’un piston 52 dans une chambre de combustion 15. A la figure 1, il est montré deux cylindres de compression 10, 10a et à la figure 6, il est montré deux cylindres de compression 10, 10a, un cylindre de combustion 2 et un cylindre de détente 2a.
[0044] Les figures 2, 4, 7, 8 illustrent un moteur associé à au moins une turbine à gaz ou turbine de détente 16, 16a, avec au moins un compresseur 17, 17a en tant qu’élément de compression. A la figure 8, il est montré au moins deux turbines de détente 16, 16a formant chacune un élément de détente équivalent à un cylindre de détente, référencé 2a à la figure 6. Deux compresseurs 17, 17a dans le cas de la figure 8 forment chacun un élément de compression et équivalent à un cylindre de compression.
[0045] Quand il n’y a pas de cylindre de détente 2a ou de turbine de détente 16, 16a, comme montré aux figures 1, 3 et 5, c’est le cylindre de combustion 2 qui peut servir de cylindre de détente. A la figure 6, il peut y avoir une détente dans le cylindre de combustion 2 suivie d’une détente dans le cylindre de détente 2a.
[0046] Un tel moteur à cycle réparti ou associé à une turbine dit turbine à gaz comprend une chambre de combustion 15 avec au moins un cylindre de combustion 2 d’un mélange d’air et de carburant en son intérieur. Pour ces deux types de moteur à combustion interne, une compression à basse pression d’un premier flux d’air est effectuée et le premier flux est stocké dans un réservoir basse pression 9.
[0047] De plus, une compression d’un deuxième flux d’air comprimé est aussi effectuée, avantageusement par un ou plusieurs éléments de compression 10, 10a, 17, 17a du deuxième flux, ces éléments de compression étant soit des cylindres de compression 10, 10a soit des compresseurs 17, 17a de divers types.
[0048] Selon l’invention, il est effectué une compression à haute pression supérieure à 400 bars d’un troisième flux d’air avec un débit suffisamment faible d’air comprimé pour réaliser une compression haute pression isotherme. Le troisième flux d’air est stocké dans un réservoir haute pression 4 et est ajouté prioritairement au premier flux d’air pour une alimentation en air du moteur, une alimentation par le deuxième flux d’air étant alors suspendue. Le deuxième flux d’air est ajouté au premier flux d’air pour l’alimentation en air du moteur quand le réservoir haute pression 4 est vide, donc en remplacement du troisième flux alors épuisé.
[0049] L’invention concerne aussi un moteur à combustion interne à cycle réparti ou à turbine à gaz comprenant au moins un cylindre de combustion 2 d’un mélange d’air et de carburant en son intérieur, le moteur étant alimenté par un système d’admission d’air mettant en œuvre un procédé tel que précédemment décrit. Le système comprend au moins un élément de compression à basse pression 11 et un réservoir basse pression 9 pour un premier flux et au moins un élément de compression 10, 10a, 17, 17a pour un deuxième flux.
[0050] Selon l’invention, le système d’admission d’air comprend un élément de compression haute pression 1 au-dessus de 400 bars et un réservoir haute pression 4 pour un troisième flux. L’élément de compression haute pression 1 comporte des moyens de limitation du débit d’air en entrée afin de réaliser une compression haute pression isotherme. Le système comprend des moyens de contrôle des flux d’air pilotant l’ajout vers le moteur des premier et troisième flux tant que le réservoir haute pression 4 contient de l’air et des premier et deuxième flux quand le réservoir haute pression 4 est vide.
[0051] Un capteur présent dans le réservoir haute pression 4 peut donner une mesure du volume restant du troisième flux dans le réservoir 4 et les moyens de contrôle sont aptes à remplacer le troisième flux par le deuxième flux quand le troisième flux est insuffisant ou épuisé.
[0052] Le fait de faire subir au troisième flux une compression isotherme nécessitant le moins de travail possible permet de s’approcher du cycle thermodynamique optimal qui est le cycle théorique de Carnot. Une compression isotherme est donc indispensable pour réaliser un rendement élevé dans le moteur. Cette compression isotherme est réalisée en imposant un débit lent d’air à l’élément de compression.
[0053] L’élément de compression haute pression 1 peut fonctionner durant une durée prédéterminée en fonction de la taille du réservoir haute pression 4 de stockage. Son rendement est élevé de même que son efficacité. Le rendement n’est pas un rendement de Carnot, c’est juste le rendement de la machine de compression, par exemple 90%. Dans le cas contraire, c’est un mélange du premier flux additionné du deuxième flux qui forme le flux d’air admis au moteur et le rendement s’en trouve dégradé bien que supérieur à un moteur classique quand il est utilisé un moteur à cycle réparti ou associé à une turbine à gaz.
[0054] L’alimentation du moteur par les premier et deuxième flux est dénommée mode dégradé, même si c’est un fonctionnement à cycle réparti à haut rendement comparé à un moteur conventionnel, parce que le travail de compression n’est pas réalisé d’une façon isotherme. Dans ce mode dégradé, il est consommé plus d’énergie pour comprimer l’air et la température en fin de compression est élevée, ce qui limite l’échange et l’extraction de la chaleur des gaz d’échappement qui se fera dans un récupérateur 3, 7 d’énergie qui sera ultérieurement décrit.
[0055] La taille du réservoir haute pression 4 de stockage du troisième flux d’air peut être choisie en fonction de critères du type masse, volume, profils d’utilisation, conditions d’utilisation et coût. Un troisième circuit associé au passage du troisième flux peut aussi produire une partie du besoin en chaud et froid, par exemple mais non limitativement, pour assurer la thermique d’un habitacle de véhicule automobile. Un premier circuit associé au passage du premier flux peut récupérer une énergie cinétique d’un véhicule automobile équipé du moteur décrit lors des phases de freinage.
[0056] La figure 9 montre une comparaison des cycles de Carnot, Stirling et Ericsson avec une pression P en ordonnée et un volume spécifique Vsp en abscisse. Un cycle de Carnot, en traits pleins à la figure 9, est formé de deux transformations isothermes 1-2c, 3-4c et de deux transformations adiabatiques 2c-3, 4c-1.
[0057] Les cycles d’Ericsson, en pointillés larges, et de Stirling, en petits pointillés, avec des hypothèses de récupération de 100% d’efficacité ont un rendement inférieur ou égal à celui de Carnot. Le moteur fonctionnant selon un cycle de Carnot possède le rendement maximal d’une machine thermodynamique opérant entre deux sources de chaleur, une source chaude au-dessus de la courbe la plus haute et une source froide en dessous de la courbe la plus basse.
[0058] Un convertisseur d’énergie dans un système d’admission d’air au moteur de l’état de la technique n’a pas la possibilité d’approcher le rendement de Carnot du fait d’une compression et d’une détente non isothermes. Pour remédier à cela, la présente invention propose de réaliser la compression haute pression d’une façon quasi-isotherme, dans un réservoir d’air comprimé à haute pression, qui sera alimenté en air comprimé par un élément de compression à très faible débit, de sorte que le travail de compression consomme le moins d’énergie possible.
[0059] L’élément de compression fonctionne en continu à une très faible puissance. Il pourra être alimenté par le réseau électrique, dans le cas d’un compresseur électrique ou via la batterie du véhicule automobile comportant le moteur, ou les deux en même temps. Lorsqu’on a besoin de mettre en fonctionnement le véhicule, le troisième flux d’air haute pression peut être utilisé en premier et se détend vers une pression intermédiaire dans le réservoir de stockage basse pression 9 du premier flux d’air avantageusement en passant par une turbine intermédiaire 20.
[0060] Cette turbine intermédiaire 20 récupérera du travail mais aussi la détente du troisième flux produira du froid, pouvant être utilisé pour refroidir l’habitacle, ceci par un aérotherme 13. La ou les turbines intermédiaires 20 car il peut y avoir plusieurs turbines 20 permettent de récupérer un travail de détente de l’air comprimé haute pression du troisième flux et de produire donc du froid via la détente de l’air comprimé haute pression du troisième flux.
[0061] A part le circuit du troisième flux, le fonctionnement du système d’admission d’air est identique à celui d’un moteur à cycle réparti ou à turbine à gaz. Cependant le rendement sera meilleur parce que le travail de compression est beaucoup plus faible et que si le travail de compression est diminué, le travail net est augmenté et en conséquence le rendement.
[0062] De l’air du troisième flux peut quitter le réservoir haute pression 4 du troisième circuit dit haute pression vers le réservoir basse pression 9 contenant le premier flux en se détendant dans la ou les turbines intermédiaires 20 et en traversant un premier échangeur de chaleur 12. Ce premier échangeur de chaleur 12 peut permettre de refroidir un habitacle du véhicule automobile par un aérotherme 13 tant que le troisième flux est présent.
[0063] Le deuxième flux peut circuler dans une conduite présentant un piquage sur une conduite principale d’admission d’air au moteur partant du réservoir basse pression 9 vers le moteur. Le piquage se trouve alors en aval du réservoir basse pression 9, un deuxième échangeur de chaleur 3, avantageusement un refroidisseur, étant disposé en aval du piquage et en amont dudit au moins un cylindre de combustion 2. Une première vanne 14 peut être disposée au niveau du piquage de la conduite du deuxième flux sur la conduite principale.
[0064] Comme montré à la figure 5, l’élément de compression à basse pression et ledit au moins un élément de compression 10 pour le deuxième flux peuvent être le même élément, par exemple un ou des pistons de compression. Une deuxième vanne 14a peut être disposée en aval dudit au moins un élément de compression 10 pour le deuxième flux et en amont du réservoir basse pression 9, la deuxième vanne 14a dirigeant séquentiellement le deuxième flux vers le piquage ou vers le réservoir basse pression 9. Dans le cas de plusieurs éléments de compression 10 du deuxième flux, la deuxième vanne 14a peut être disposée en aval de l’élément de compression le plus en aval des éléments de compression du deuxième flux.
[0065] L’élément de compression du premier flux peut être un compresseur mécanique ou un piston de compression relié à une chaîne de traction associée au moteur. Le réservoir basse pression 9 est à la pression de fonctionnement du moteur et peut servir à la récupération d’énergie lors d’un freinage du véhicule automobile.
[0066] Plusieurs modes de réalisation préférentielle montrés aux figures 1 à 8 sont possibles. D’une manière générale, ces figures 1 à 8 montrent un moteur à combustion interne à cycle réparti ou associé à une ou des turbines à gaz de détente. Un tel moteur comprend les trois circuits d’air correspondant aux premier, deuxième et troisième flux précédemment décrits. Dans une chambre de combustion 15, il est prévu un cylindre de combustion 2 muni d’un piston 52, dans lequel cylindre de combustion 2 un mélange d’air et de carburant est brûlé.
[0067] En aval du cylindre de combustion 2 ou de la chambre de combustion 15, il peut être prévu au moins un cylindre de détente 2, 2a muni d’un piston ou une turbine de détente 16, 16a. Le cylindre de détente 2, 2a peut être le cylindre de combustion 2 ou un autre cylindre 2a, comme montré à la figure 6, en remplacement ou en addition au cylindre de combustion 2, ce dernier effectuant alors un travail de détente. Une récupération de chaleur sur l’air admis est effectuée dans un récupérateur 3, 7 disposé partiellement dans la conduite principale d’entrée d’air en aval de la première vanne 14.
[0068] Le récupérateur 3, 7 de chaleur peut être une structure en deux parties d’échangeurs de chaleur 3 et 7, formant respectivement les deuxième 3 et troisième échangeurs 7 de chaleur. Le récupérateur 3, 7 permet d’échanger avec les gaz d’échappement, d’une part, côté chaud, et, d’autre part, avec l’air comprimé formé soit des premier et troisième flux ou soit des premier et deuxième flux, côté froid. L’air froid admis dans la partie 3 échange parfaitement dans le récupérateur 3, 7 avec la partie 7 en échange de chaleur avec les gaz d’échappement en sortie après détente dans au moins un cylindre de détente 2, 2a ou une turbine de détente 16, 16a, ce qui permet de récupérer la quasi-totalité de l’énergie restante dans les gaz d’échappement.
[0069] La partie d’échangeur de chaleur auxiliaire 7, côté chaud, est disposée en sortie du cylindre de détente 2, 2a le plus en aval ou de la turbine de détente 16, 16a la plus en aval quand il y a plusieurs turbines de détente avec les gaz d’échappement résultant de la combustion du mélange d’air et de carburant.
[0070] L’élément ou les éléments de compression du deuxième flux peuvent être un ou des cylindres de compression 10, 10a comportant chacun un piston. Le ou les cylindres de compression 10, 10a effectuent une compression de l’air du deuxième flux. Aux figures 1 et 6, il est montré deux cylindres de compression 10, 10a séparés par un refroidisseur 8, tandis qu’aux figures 3 et 5, il est montré un unique piston de compression 10, cet unique piston de compression 10 étant aussi l’élément de compression du premier flux à la figure 5.
[0071] En alternative, le ou les éléments de compression peuvent être des machines de compression du type volumétrique ou centrifuge ou un compresseur 17, 17a à piston de compression comprimant l’air en amont dudit au moins un cylindre de combustion 2. Aux figures 2, 7 et 8, il est montré deux compresseurs 17, 17a et à la figure 4 un unique compresseur 17.
[0072] Quand au moins deux cylindres de compression 10, 10a ou deux machines de compression du type volumétrique ou centrifuge ou au moins deux compresseurs 17, 17a à piston de compression se succèdent, l’air subissant une compression au moins bi-étagée, un échangeur de chaleur sous la forme d’un refroidisseur 8 d’air est intercalé entre lesdits au moins deux cylindres de compression 10, 10a, lesdites au moins deux machines de compression du type volumétrique ou centrifuge ou lesdits au moins deux compresseurs 17, 17a à piston de compression.
[0073] Quand un seul cylindre de compression 2 dans une chambre de combustion 15 est prévu, ce cylindre de compression 2 fait action de cylindre de combustion et de cylindre de détente. Ceci est le cas aux figures 1, 3 et 5. A la figure 6, il est montré un cylindre de combustion 2 et un cylindre de détente 2a. Aux figures 2, 4, 7 et 8, le cylindre de détente est remplacé par une ou des turbines de détente 16, 16a.
[0074] L’invention trouve une application préférentielle mais non limitative pour un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne tel que précédemment décrit.
[0075] L’invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n’ont été donnés qu’à titre d’exemples.

Claims (10)

  1. Revendications :
    1. Procédé d’alimentation en air d’un moteur à combustion interne à cycle réparti ou associé à une turbine à gaz comprenant au moins un cylindre de combustion (2) d’un mélange d’air et de carburant en son intérieur, une compression à basse pression d’un premier flux d’air étant effectuée et le premier flux étant stocké dans un réservoir basse pression (9), une compression d’un deuxième flux d’air comprimé étant aussi effectuée, caractérisé en ce qu’il est effectué une compression à haute pression supérieure à 400 bars d’un troisième flux d’air avec un débit suffisamment faible d’air comprimé pour réaliser une compression haute pression isotherme, le troisième flux d’air étant stocké dans un réservoir haute pression (4), le troisième flux d’air étant ajouté prioritairement au premier flux d’air pour une alimentation en air du moteur, une alimentation par le deuxième flux d’air étant alors suspendue, le deuxième flux d’air étant ajouté au premier flux d’air pour l’alimentation en air du moteur quand le réservoir haute pression (4) est vide.
  2. 2. Moteur à combustion interne à cycle réparti ou à turbine à gaz comprenant au moins un cylindre de combustion (2) d’un mélange d’air et de carburant en son intérieur, le moteur étant alimenté par un système d’admission d’air mettant en œuvre un procédé selon la revendication précédente, le système comprenant au moins un élément de compression à basse pression (11) et un réservoir basse pression (9) pour un premier flux et au moins un élément de compression (10, 10a, 17, 17a) pour un deuxième flux, caractérisé en ce que le système comprend un élément de compression haute pression (1) au-dessus de 400 bars et un réservoir haute pression (4) pour un troisième flux, l’élément de compression haute pression (1) comportant des moyens de limitation du débit d’air en entrée afin de réaliser une compression haute pression isotherme, le système comprenant des moyens de contrôle des flux d’air pilotant l’ajout vers le moteur des premier et troisième flux tant que le réservoir haute pression (4) contient de l’air et des premier et deuxième flux quand le réservoir haute pression (4) est vide.
  3. 3. Moteur selon la revendication précédente, dans lequel de l’air du troisième flux quitte le réservoir haute pression (4) vers le réservoir basse pression (9) en se détendant dans une turbine intermédiaire (20) et en traversant un premier échangeur de chaleur (12) et le deuxième flux circule dans une conduite présentant un piquage sur une conduite principale d’admission d’air au moteur partant du réservoir basse pression (9), le piquage se trouvant en aval du réservoir basse pression (9), un deuxième échangeur de chaleur (3) étant disposé en aval du piquage et en amont dudit au moins un cylindre de combustion (2).
  4. 4. Moteur selon la revendication précédente, dans lequel le deuxième échangeur de chaleur (3) est couplé à un troisième échangeur de chaleur (7) pour former un récupérateur (3, 7) de chaleur en deux parties, le deuxième échangeur de chaleur (3) échangeant avec l’air admis dans la conduite principale d’admission et le troisième échangeur de chaleur (7) échangeant avec les gaz d’échappement quittant au moins un cylindre de détente (2, 2a) doté d’un piston de détente ou au moins une turbine de détente (16, 16a) disposé en aval du moteur à combustion interne.
  5. 5. Moteur selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un élément de compression à basse pression et ledit au moins un élément de compression (10) pour le deuxième flux sont le même élément, une vanne (14a) étant disposée en aval dudit au moins un élément de compression (10) et en amont du réservoir basse pression (9), la vanne (14a) dirigeant séquentiellement le deuxième flux vers le piquage ou vers le réservoir basse pression (9).
  6. 6. Moteur selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel l’élément de compression haute pression (1) est un compresseur électrique à piston.
  7. 7. Moteur selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel ledit au moins un élément de compression (10, 10a, 17, 17a) du deuxième flux est au moins un cylindre de compression doté d’un piston (10, 10a), ledit au moins un piston de compression (10, 10a) effectuant une compression de l’air du deuxième flux.
  8. 8. Moteur selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel ledit au moins un élément de compression (10, 10a, 17, 17a) du deuxième flux est au moins une machine de compression du type volumétrique ou centrifuge ou un compresseur à piston de compression (17, 17a) comprimant l’air en amont dudit au moins un cylindre de combustion (2).
  9. 9. Moteur selon la revendication 7 ou 8, dans lequel ledit au moins un élément de compression (10, 10a, 17, 17a) du deuxième flux comprend au moins deux cylindres (10, 10a) avec un piston de compression respectif, au moins deux machines de compression du type volumétrique ou centrifuge ou au moins deux compresseurs à piston de compression (17, 17a) se succédant, l’air subissant une compression au moins bi-étagée, un refroidisseur (8) d’air étant intercalé entre lesdits au moins deux cylindres (10, 10a), lesdites au moins deux machines de compression du type volumétrique ou centrifuge ou lesdits au moins deux compresseurs à piston de compression (17, 17a).
  10. 10. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend un moteur à combustion interne selon l’une quelconque des revendications précédentes 2 à 9.
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