WO2016207420A1 - Dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de détente - Google Patents

Dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de détente Download PDF

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WO2016207420A1
WO2016207420A1 PCT/EP2016/064793 EP2016064793W WO2016207420A1 WO 2016207420 A1 WO2016207420 A1 WO 2016207420A1 EP 2016064793 W EP2016064793 W EP 2016064793W WO 2016207420 A1 WO2016207420 A1 WO 2016207420A1
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WO
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pistons
movement
compression
expansion machine
coordinating
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/064793
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English (en)
Inventor
Abdelaziz GORMAT
Stéphane TONDELLI
Carlos Martins
Eric Droulez
Bertrand Gessier
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques
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Publication date
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    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
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    • F01C1/063—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them
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    • F01C1/067—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them having cam-and-follower type drive
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    • F01C1/063—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them
    • F01C1/077—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them having toothed-gearing type drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/60—Shafts

Definitions

  • the present invention applies to the field of transforming thermal energy into work. It relates more particularly to a device for coordinating the movement of the pistons of a scissor-type compression and expansion machine intended to be used, in particular, in a system making a fluid work to enhance the thermal losses of an engine, by example in the exhaust or on any other hot source.
  • This fluid performs a cycle during which it must be pumped or compressed to enter a heat exchanger before it can then provide mechanical energy by a trigger.
  • This type of compression and expansion machine conventionally comprises a body with at least one chamber of revolution about an axis of symmetry and dividing the chamber into cells rotating with the pistons.
  • the machine further comprises a device for coordinating the movement of said pistons configured so that, during a rotation revolution, each cell performs at least a first expansion / contraction cycle corresponding to a compression step of a first flow of gas passing through this cell and at least the second expansion / contraction cycle corresponding to a step of expansion of a second gas flow through this cell.
  • US Pat. No. 725,5086 B2 discloses a device for coordinating the movement of the pistons of a scissor machine for an internal combustion engine.
  • a ring gear is fixed in the middle of the machine, and gear wheels revolve around the crown.
  • the pistons are attached to the gears via crank-rods.
  • crank-rods the crank-rods.
  • the set of parts is located within the same space comprising both the pistons, the working chamber, and the coordination device (gears with connecting rods-cranks). Consequently, this machine has a substantial outside diameter to contain all the parts, and the coordination device is subjected to the same temperature constraints as the working chamber, which is not recommended for the holding long-term coins.
  • This type of arrangement also has other disadvantages, namely:
  • US Patent 7730869 B2 illustrates another coordination device for a scissor machine, with a planetary gear train for an internal combustion engine.
  • this device has the same drawbacks as those mentioned above, particularly as regards the increase in the outer diameter of the machine, a coordination device which is subjected to high temperature and high pressure constraints, a high risk of leakage between the working chamber and the coordination device, and a kinematics that is not flexible.
  • the present invention aims to overcome the various disadvantages mentioned above, by means of a device for coordinating the movement of the pistons of a compression and expansion machine, which allows to ensure the steps of admission, compression , heating, expansion and exhaust of a working fluid and this while restoring mechanical energy via a transformation of thermal energy.
  • the device according to the invention must be compact, robust, operate with a minimum of parts, be sealed vis-à-vis the working chamber and pistons, and allow to regulate the speed of the pistons via a flexible kinematics in order to improve the performance of the machine.
  • the invention relates to a device for coordinating the movement of the pistons of a compression and expansion machine used in a thermal energy recovery system, comprising:
  • a first input shaft for connection to a first pair of pistons; a second input shaft intended to be connected to a second pair of pistons, the two shafts having a relative movement with respect to each other and being coaxial along an axis X.
  • An example of a compression and relaxation machine is a scissors-type machine.
  • the coordination device is configured so that each cell performs the same number of first expansion / contraction cycles corresponding to a fluid expansion step as the second expansion / contraction cycle corresponding to a fluid compression step. .
  • the pistons of each pair have an integral movement and are, for example, diametrically opposed.
  • the main feature of the invention is that the coordination device also comprises means for regulating the speed of movement of the pistons via the two input shafts.
  • said means for regulating the speed of movement of the pistons make it possible to modulate the speed of the pistons by accelerations or slowdowns at specific times during the different cycles, in order to increase the performance of the machine. More specifically, said means for regulating the speed of movement of the pistons consist of at least one first pawl driven by the first input shaft and adapted to come into contact with a fixed internal cam path within the compression machine. and relaxation, and at least a second pawl driven by the second input shaft and adapted to come into contact with a fixed external cam path within the compression and expansion machine.
  • Each latch channels the rotational movement of the corresponding input shaft.
  • the shape of the cam path on which the latch slides requires the two pistons fixed on the corresponding shaft a predefined speed profile, with acceleration and slowdowns.
  • the existence of two cam paths allows independent management of the speed profile of the two pairs of pistons, the overall synchronization of the two pairs of pistons being managed by a gear mechanism which will be described later. So a The pair of pistons may be ahead or behind the other pair of pistons via the action of the latches.
  • the idea underlying the invention is to introduce zones of acceleration or slowing down of the pistons, in particular when they pass in front of the openings of the machine, for the admission of the fluid, the exit of the fluid towards the exchanger, the inlet of the fluid from the exchanger, and finally the escape of the fluid.
  • the variation of the speed of the pistons makes it possible to modify the volume law, that is to say to vary the volume of the cells, and consequently to vary the filling of the machine at key moments during a turn of rotation.
  • This makes it possible to control more precisely the exchange phases with the exchanger and the passage times in front of the inlet / outlet low pressure (that is to say intake and exhaust) and high pressure (ie ie input / output exchanger) of the machine. This filling control increases the performance of the machine.
  • each cam path has at least one section with a profile variation resulting in a speed variation of the movement of the corresponding pair of pistons.
  • the profile variation may consist for example of a wave or a flat practiced (e) on the cam path. This wave or dish must be positioned at a specific location on the cam path.
  • These profile variations can also be advantageously used to compensate for the play due to dispersions, for example during machining of parts, assembly or due to defects in shape. This can be done by modifying the theoretical profile of the cam path to take up the actual defects found on the finished and mounted parts.
  • both cam paths are removable. This makes it easy to switch from one volume law to another simply by changing the profile of the cam path.
  • each pawl is attached to a satellite gear wheel that is rotating around an input shaft via a pinion.
  • the pawls follow the gravitational movement of the gears around the gears, while being permanently in contact with the cam paths, so as to accelerate or slow down this gravitational movement and influence the speed of the pistons.
  • the planet gears and the gears are part of the gear mechanism which will be described later. More precisely, each pawl is composed of:
  • the coordination device also comprises:
  • a gear mechanism between the input shafts and the output shaft comprising:
  • the gear assemblies comprising mutual drive means.
  • the gear assemblies have a link allowing them to train each other, depending on the rotation of the input shafts.
  • the first gear set can drive their second set, and vice versa.
  • These mutual drive means comprise in particular the sets of latches / cam paths as described above.
  • the torque generated on the output shaft is then returned to the heat engine, for example via a transmission.
  • this pair can be used to generate an electric current.
  • the first discontinuous rotational movement of the first input shaft corresponds to a half turn of rotation of the output shaft.
  • the second discontinuous movement of rotation of the second input shaft corresponds to a half-turn of rotation of the output shaft, complementary to the first half-turn.
  • the device for coordinating the movement of the pistons is reversible, the rotation of the output shaft causing the rotation of the input shafts, so that, in the intake / compression phase, the output shaft machine is the point of entry.
  • the rotation of the output shaft causes the rotation of the input shafts, and a fortiori the rotation of the two pairs of pistons via the gear mechanism, with a bringing together of a pair of pistons with respect to the other which causes the compression of the fluid.
  • the expansion phase it is the distance of one pair of pistons relative to the other which causes the rotation of the input shafts and therefore the rotational movement of the output shaft, and this via the same gear mechanism.
  • the torque generated on the output shaft is negative, while in the expansion phase the torque generated on the output shaft is positive.
  • the final balance on a rotation turn of the output shaft must be positive to generate energy gain.
  • the gear mechanism will be described more precisely.
  • the first and second sets of gears are angularly offset with respect to the X axis.
  • each set of gears consists of:
  • At least one satellite gear wheel revolving around said pinion and provided with means of double meshing of the pinion and the satellite gear wheel of the other set of gears, these double meshing means belonging to said mutual drive means of the sets of gears; gears.
  • each set of gears comprises two satellite gears, gravitating around the pinion and being diametrically opposite with respect to the pinion. This makes it possible to distribute the load and the forces transmitted by the pinion on two gears instead of just one. Thus, the forces experienced by each gear wheel are reduced, and it is also possible to reduce the size of the wheels accordingly.
  • all the satellite gear wheels have the same technical characteristics (modulus of elasticity, diameter, number of teeth, etc.).
  • said means of double meshing of a satellite gear wheel of a set of gears consist of an angular sector of teeth divided into two zones having two tooth lengths along an axis parallel to the axis of rotation of the tooth. the satellite gear, an area with short teeth being provided to engage the pinion, the other area with long teeth being provided to mesh with both the pinion and the proximal satellite gear of the other gear set.
  • the gear wheel alone can drive two other parts of the mechanism.
  • This double meshing is very advantageous since it makes it possible to reduce the number of parts in the mechanism.
  • the gear wheels are cut only on an angular sector, and not on the entire outer perimeter, so as to keep only the functional parts. This helps to lighten the weight of the mechanism gearing, minimize friction and reduce clutter of the mechanism. It is the same for the gears which are cut only on an angular sector.
  • the two input shafts and the output shaft are coaxial, the output shaft being integral with a flange rotated by the two satellite gear wheels.
  • the flange recovers input discontinuous movements of rotation of the gears which complement each other so as to form a continuous rotational movement that it outputs to the output shaft.
  • the coordination device according to the invention is included in a kinematic box separated fluidically from the space where the pistons evolve.
  • This configuration makes it possible to properly lubricate the gear mechanism and to avoid introducing lubricant into the working chamber where the pistons rotate.
  • This separation also allows the kinematic box to not suffer the temperature, pressure, and dry friction constraints that exist in the working chamber. And above all, this kinematic box is flexible whatever the shape and size of the working chamber (cylindrical, ovoid, toroidal shape).
  • This kinematic box is provided with means for regulating the internal temperature consisting of an external cover adapted to close the kinematic box and provided with an inlet orifice and a fluid outlet orifice, of the water or oil, circulating inside the kinematic box.
  • the fluid that is injected into the kinematic box is always at a precise temperature, to achieve a very precise viscosity, to ensure optimum lubrication.
  • the invention also relates, and more generally, to a scissors-type compression and expansion machine used in a thermal energy recovery system, comprising a device for coordinating the movement of the pistons as described above.
  • Figure 1 shows schematically the installation of a system according to the invention to enhance the energy of the exhaust gas of a heat engine
  • Figure 2 schematically shows the operation of a piston scissor machine according to the invention in a system for energy recovery
  • FIG. 3 is an exploded view illustrating the association between the two input shafts and the two pairs of pistons;
  • FIG. 4 is an exploded view of a device for coordinating the movement of the pistons according to a first configuration of the invention;
  • Figure 5 is a sectional view of the coordination device of Figure 4 illustrating the gear mechanism
  • FIGS. 6, 7 and 8 are enlarged views respectively of a pinion, a toothed wheel, and a set latch / gear, according to a first configuration of the invention
  • Figure 9 shows a profile view and a front view of the cover of the kinematic box of the coordination device
  • FIG. 10 represents a classical volume law
  • FIG. 11 represents a volume law via cam paths according to the invention
  • FIG. 12 represents the velocity profile of the pistons according to the invention
  • Figures 13 and 14 are sectional views of the coordination device at the first input shaft and the second input shaft respectively according to a second configuration of the invention
  • Figure 15 is an enlarged view of a pinion according to the second embodiment of the invention.
  • Figure 16 is a sectional view of the coordination device at the pawls and cam tracks, according to a second configuration of the invention.
  • FIG. 17 and 18 are sectional views showing Figure 16 and showing sensitive areas of operation
  • FIG. 19 is an exploded view of a device for coordinating the movement of the pistons according to a second configuration of the invention. detailed description
  • the invention relates to a rotary piston machine, which in this example is of the scissor type, designed to be used in a system for energy recovery by working a fluid in a cycle comprising the steps of admission, compression, heating and relaxing, exhaust, as previously discussed.
  • the exemplary embodiment of the invention is presented as part of an integration on a motor vehicle powered by a heat engine, to enhance the energy dissipated by the exhaust gas.
  • the applicant does not intend to limit the scope of his invention to this framework because it is easy to transfer the type of heat source or energy recovered to other facilities.
  • the system schematically exemplified in Figure 1 uses air as working fluid, with an open cycle. The air is sucked to ambient atmospheric conditions before compression and then released into the atmosphere after relaxation. As explained above, this choice is advantageous in terms of integration on a vehicle but it does not exclude the choice of a closed cycle, with cooling of the working fluid in other facilities.
  • the system described as an example here comprises:
  • a hot source constituted by the exhaust gas flowing in the exhaust line 1 from the engine 2;
  • the drive and energy recovery system 9 is a mechanical transmission means between the axis 10 of the compression and expansion machine 4 and the engine shaft 1 1. driving the vehicle, intended to recover the extra torque provided by the axis 10.
  • this system 9 may be an electric motor connected to the axis 10 of the machine 4, intended to operate as a generator under the action of the axis 10.
  • the machine 4 piston scissors comprises a hollow body
  • the hollow body 12 has four openings forming openings 16, 17, 18, 19 in the chamber 12.
  • a first opening 16 is located at the bottom and is intended to be connected to the pipe 7 sucking the ambient air
  • a second opening 17 is located at the top, substantially vertically of the first opening 16, and is intended to be connected to the pipe 5 sending the air into the exchanger 3,
  • a third opening 18 is also located at the top, close to the second opening 17, and is intended to be connected to the pipe 6 bringing the air coming out of the exchanger 3,
  • a fourth opening 19 is located at the bottom, substantially vertically to the third opening 18 and close to the first opening 16, and is intended to be connected to the duct 8 discharging air into the atmosphere.
  • pistons 14a, 14b, 14c, 14d rotating about the X axis are installed inside the chamber 12. They are configured to occupy each an angular sector portion of given angle between the outer cylindrical wall of the chamber 12 and an inner cylindrical surface 13 of cross section to the axis of rotation X circular.
  • pistons 14 are grouped in two pairs of diametrically opposed pistons.
  • the pistons of each pair are integral.
  • the two pairs of pistons can rotate around the axis differently, moving away or approaching.
  • the four pistons 14 define two by two and between the outer wall of the chamber 12 and the inner surface 13, four cells 15a, 15b, 15c, 15d whose volume can increase or decrease.
  • the movement of the two pairs of pistons is coordinated so that each of the four cells 15a, 15b, 15c, 15d follows two cycles of expansion and contraction while passing in front of the four openings 16, 17, 18, 19 of the chamber 12.
  • a first pair of pistons 14a-14c is connected to a first hollow input shaft 20 which passes a second input shaft 21 to which is fixed the second pair of pistons 14b. 14d.
  • the two pairs of pistons 14a-14c, 14b-14d can be driven separately in rotation by the two input shafts 20, 21.
  • the two input shafts 20, 21 pass through a transverse face of the wall of the chamber 12 and are coupled, outside of this chamber 12, to each other and / or to the output shaft 10 of the scissors machine 4 by a coordination device 22 of their movements, as illustrated in FIG. 4, which enables them to carry out the expansion / contraction cycles of the cells 15a, 15b, 15c, 15d while the output shaft 10 of the machine 4 follows a regular rotation movement.
  • This coordination device comprises more precisely a gear mechanism between the input shafts 20, 21 and the output shaft 10.
  • At the end of each input shaft 20, 21, is fixed a pinion 23, 24 , for example via internal splines 25.
  • the two gears 23, 24 are concentric and angularly offset. They are illustrated more precisely in FIGS. 3 and 6.
  • Each pinion 23, 24 comprises an outer functional part with teeth 26 for meshing with another part, but only on a specific angular sector, of output to lighten the weight of the pinion. , 24 and to reduce the bulk of the mechanism.
  • each pinion 23, 24 gravitates a satellite toothed wheel 27, 28, as illustrated in FIG. 7.
  • the toothed wheel 27, 28 comprises an outer functional part with teeth for meshing with at least another piece, but only on a specific angular sector, so as to lighten the weight of the toothed wheel 27, 28 and reduce the size of the mechanism. More precisely, this angular sector comprises two tooth lengths: an area with short teeth 29 for meshing with the pinion 23, 24, and a zone with long teeth 30 for meshing both the pinion 23, 24 and the toothed wheel 27, 28 adjacent.
  • each toothed wheel 27, 28 meshes with the corresponding pinion 23, 24 via teeth that are both short
  • the toothed wheel 27, 28 comprises a first stage of teeth 29,
  • a latch 32, 33 is fixed on each toothed wheel 27, 28, as illustrated in FIG. 8.
  • the latch 32, 33 is composed of:
  • a shaft 34, a first end portion is inserted and fixed in a central hole 31 provided for this purpose in the toothed wheel 27, 28;
  • Each pawl 32, 33 therefore describes a gravitational movement around the input shafts 20, 21 reproducing the gravitational movement of the toothed wheel 27, 28 to which it is secured.
  • the plate 39 belongs to the coordination device 22 of the movement of the pistons, and realizes a separation between one side the space where the pistons 14 evolve, and the other side the space including the gear mechanism of the device
  • This plate 39 is of circular shape, and comprises a central orifice through which the two input shafts 20, 31 pass.
  • a first portion in relief 40 is at the periphery of the plate 39, and the inner edge of this relief 40 forms an "internal" cam path 37.
  • a second raised portion 41 is located on the central zone of the plate 39, and the outer edge of this relief 41 forms a so-called “outer” cam path 38.
  • the tab 35 of the pawl 32 of the toothed wheel 27 integral with the first input shaft 20 via the gear 23 evolves on the internal cam path 37, while the tab 35 of the pawl 33 of the toothed wheel 28 integral with the second gear shaft input 21 via pinion 24 moves on the outer cam path 38.
  • the output shaft 10 is fixed on a flange 42 in which there are two orifices 43, 44 able to accommodate two cylindrical sections 45 respectively projecting from the two gears 27, 28 and coaxial with the axis of rotation of the gears 27, 28.
  • This flange 42 is thus driven by these two cylindrical sections 45, and follows the gravitational movement, not rotation, of the toothed wheels 27, 28 around the pinions 23, 24.
  • the flange 42 is fixed via four screws 48 to a turntable 46 fixed to the plate 39 via a ball bearing 47.
  • Four spacers 49 make it possible to guarantee a predefined distance between the flange 42 and the turntable 46. The latter thus follows the rotational movement flange 42.
  • the pistons 14a, 14b, 14c, 14d are identical in size and the two pairs of pistons 14a-14c, 14b-14d follow the same movement out of phase.
  • the four cells 15a, 15b, 15c, 15d therefore follow an identical cycle during a complete rotation, which is described below to indicate how the machine circulates the air.
  • the machine draws high pressure air from the exchanger 3 through the upper left opening 18 and returns this air relaxed at low pressure to the atmosphere through the lower left opening 19.
  • the cell 15c located between the piston 14c almost stopped upwards and the piston 14d away from it, is the seat of an expansion of the air that it contains. This air comes from the opening 18 connected to the outlet of the exchanger 3 when the upper piston 14c did not obstruct the air inlet opening 18.
  • the expansion of the hot compressed air drives the second pair of pistons 14b-14d in rotation about the X axis and not only compresses the cold air present in the cell 15b, but also generates a mechanical energy that is going to be transmitted to the coordination device 22 via the second input shaft 21. Indeed, the rotation of the second input shaft 21 and therefore of the pinion 24 in the counterclockwise direction will cause:
  • the coordination device 22 uses a portion of the energy generated by the expansion of the compressed air to also move the second pair of pistons 14a-14c and having the scissors machine 4 perform the steps of admitting air into the cell 15a and sending the compressed air from the cell 15b to the exchanger.
  • the coordination device 22 restores the energy remaining on the output shaft 10 of the scissors machine 4.
  • the return circuit ends in the cell 15d located between the piston 14a almost stopped down and the piston 14d which catches it.
  • contracting the cell 15d displaces the expanded air towards the atmosphere through the opening 19.
  • the piston 14c has passed the opening 18, and the hot compressed air has entered the cell 15b then there is an expansion of the compressed air which will accelerate the movement of the first pair of pistons 14a-14c, while the second pair of pistons 14b-14d moves idle thanks to the recovery of part of the energy generated by the expansion of the compressed air, as explained above.
  • this new expansion of the hot compressed air in the cell 15b drives the first pair of pistons 14a-14c in rotation about the axis X and not only allows to compress the cold air present in the cell 15a, but also generates a mechanical energy that will be transmitted to the coordination device 22 via the first input shaft 20.
  • the rotation of the first input shaft 20 and therefore the pinion 23 in the counterclockwise direction will cause:
  • the coordination device 22 thus uses a portion of the energy generated by the expansion of the compressed air to also move the second pair of pistons 14b-14d and make the scissors machine 4 the steps of admission of air in the cell 15d and sending compressed air from the cell 15a to the exchanger.
  • the coordination device 22 restores the energy remaining on the output shaft 10 of the scissors machine 4.
  • the following steps consist of an acceleration of the second pair of pistons 14b-14d, then an acceleration of the first pair of pistons 14a-14c.
  • the invention also relates to another important point, namely the regulation of the speed of movement of the pistons. This regulation is performed via the latches 32, 33 and the cam paths 37, 38.
  • the gravitation of the two toothed wheels 27, 28 causes the shafts 34 of the latches 32, 33 to gravitate about the input shafts 20, 21 and the sliding of the lugs 35 of the latches 32, 33 on the two cam tracks 37 38.
  • these can contain sections with a slight variation in profile, to introduce areas of acceleration or slowing pistons 14.
  • FIG. 10 shows a graph showing the variation of the air volume (in m 3 ) in a cell 15 as a function of the angle (in degree) of the crankshaft, that is to say of the angle of the piston 14 in the working room. This is an example of a normal volume law. The volume increases and decreases steadily according to the curve.
  • FIG. 11 shows a graph where the volume law is modified by the introduction of four plates 51, 52, 53, 54 on the curve which correspond to variations in the profile of the cam paths 37, 38.
  • the dishes 51 and 53 correspond to a slowing down then an acceleration of the increase of the volume
  • the dishes 52 and 54 correspond to a slowing then an acceleration of the decrease of the volume.
  • the speed profile of the pistons 14 is indicated in FIG. 12.
  • This graph shows the evolution of the piston speed 14 (in rpm) as a function of the angle of the main shaft of the piston. output 10 (in degree).
  • This graph makes it possible to simultaneously view the speed profile of one pair of pistons 58 and the other pair of pistons 59. A small area 60 of flat is visible on these two speed profiles 58 and 59, and results from a variation of the profile of the cam paths 37, 38.
  • All the parts mentioned above belonging to the coordination device 22 for the movement of the pistons 14 are contained in a kinematic box that is fluidly separated from the space where the pistons 14 are moving, notably thanks to the plate 39 which constitutes the base of the kinematic box. and which comprises sealing means at the orifice accommodating the input shafts 20, 21.
  • a cover 55 shown in FIG. 9, is fitted on the base and encloses the gear mechanism and the assemblies. pawls / cam paths to form the kinematic box.
  • This cover 55 comprises an inlet orifice 56 and an outlet orifice 57 of a fluid, of the water or oil type, for lubricating all the mechanics contained in the kinematic box.
  • the fluid entering the box is at an optimum temperature for lubrication. Fluid circulation continuously regenerates the fluid and maintains a constant lubrication temperature without overheating.
  • FIGs 13 to 19 show another embodiment, where each set of gears now comprises two planet gears 27a, 27b, 28a, 28b instead of one.
  • the central pinion 23 ', 24' is cut on both sides to be able to mesh with both the two planet gears 27a, 27b, 28a, 28b mounted at 180 ° to one another, as can be seen in Figures 13 to 15.
  • the pinion 23 ', 24' thus comprises two external functional parts with teeth 26a, 26b for meshing the other parts, but always on a specific angular sector, output to lighten the weight of the pinion 23 ', 24' and to decrease the clutter of the mechanism.
  • the use of two latches per pinion reduces the contact pressures between the pawl and the corresponding cam path. This allows for smaller parts and longer life.
  • the optimal solution is where the latches all have the same technical characteristics (length, radius, material, etc.). This allows to have the same latches on the two cam paths, and reduce manufacturing costs and especially to avoid errors during assembly and to have only one part reference for the latches.
  • Figures 17 to 18 show two examples of optimal arrangement of latches in the coordination device.
  • FIGS. 1-10 show the general contour 103 of the plate 39 containing the internal cam path 37 and the external cam path 38.
  • the maximum (respectively minimum) diameter of the internal cam path 37 is illustrated by the circle 101 (respectively 100).
  • the maximum (respectively minimum) diameter of the outer cam path 38 is illustrated by the circle 102 (respectively 104).
  • the four pawls have a tab whose free end 36 is circular and in contact with the cam tracks 37, 38, and the planet gears 27a, 27b, 28a, 28b have teeth on the entire their circular periphery.
  • the four latches have a half-moon leg with a simply rounded free end in contact with the cam paths 37, 38, and the planet gear wheels 27a, 27b, 28a, 28b have teeth on an angular sector only.
  • Sensitive zone 108 the minimum diameter (circle 104) of the outer cam path 38 must be greater than the maximum diameter of the shafts 20, 21 in order to be able to house them inside;
  • Sensitive zones 105 and 106 the shafts 34 of the latches must never collide with the cam paths 37, 38, that is to say that they must always remain between the circles 102 and 100;
  • Sensitive zone 107 there must be no interaction between a pawl flowing on the outer cam path 38 and an adjacent pawl flowing on the internal cam path 37.
  • Figure 19 also shows an embodiment in which four latches are used in contact with the cam paths 37, 38, and with four planet gears 27a, 27b, 28a, 28b.
  • the configurations shown in the figures cited are only possible examples, in no way limiting, of the invention which, on the contrary, encompasses variants of shapes and designs within the reach of those skilled in the art.

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Abstract

Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comprenant : - un premier arbre d'entrée (20) destiné à être relié à une première paire de pistons (14a-14b); - un deuxième arbre d'entrée (21) destiné à être relié à une deuxième paire de pistons (14b-14d), les deux arbres (20, 21) ayant un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre et étant coaxiaux selon un axe X. Ce dispositif de coordination se caractérise en ce qu'il comprend également des moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons (14) via les deux arbres d'entrée (20, 21).

Description

Dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de détente
Domaine de l'invention
La présente invention s'applique au domaine de la transformation de l'énergie thermique en travail. Elle vise plus particulièrement un dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de détente de type ciseaux destinée à être utilisée, en particulier, dans un système faisant travailler un fluide pour valoriser les pertes thermiques d'un moteur, par exemple à l'échappement ou sur tout autre source chaude. Ce fluide effectue un cycle au cours duquel il doit être pompé ou comprimé pour entrer dans un échangeur avant de pouvoir ensuite, fournir de l'énergie mécanique par une détente.
Etat de la technique Ce type de machine de compression et de détente comporte classiquement un corps avec au moins une chambre de révolution autour d'un axe de symétrie et divisant la chambre en cellules tournant avec les pistons. La machine comporte en outre un dispositif de coordination du mouvement desdits pistons configuré pour que, lors d'un tour de rotation, chaque cellule effectue au moins un premier cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression d'un premier flux de gaz passant par cette cellule et au moins au deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente d'un deuxième flux de gaz passant par cette cellule.
Le brevet US 7255086 B2 présente un dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine ciseaux pour un moteur à combustion interne. Une couronne dentée est fixée au milieu de la machine, et des roues dentées gravitent autour de la couronne. Les pistons sont fixés aux roues dentées via des bielles-manivelles. Ainsi, le mouvement alternatif des pistons est transformé en mouvement de rotation continue de la couronne dentée. L'ensemble des pièces se trouve à l'intérieur d'un même espace comprenant à la fois les pistons, la chambre de travail, et le dispositif de coordination (engrenages avec bielles-manivelles). Par conséquent, cette machine présente un diamètre extérieur conséquent pour contenir toutes les pièces, et le dispositif de coordination subit les mêmes contraintes de température que la chambre de travail, ce qui n'est pas recommandé pour la tenue des pièces à long terme. Ce type d'agencement présente également d'autres inconvénients, à savoir :
une étanchéité complexe à mettre en œuvre entre le dispositif de coordination et la chambre de travail ;
- des liaisons fragiles entre les arbres et les pistons ;
une démultiplication des liaisons pivots (trois par piston) et donc des pièces formant le dispositif de coordination ;
une cinématique rigide car il n'est pas possible de moduler la vitesse des arbres et des pistons.
Le brevet US 7730869 B2 illustre un autre dispositif de coordination pour une machine ciseaux, avec un train épicycloïdal à galet pour un moteur à combustion interne. Cependant, ce dispositif présente les mêmes inconvénient que ceux cités précédemment, notamment en ce qui concerne l'augmentation du diamètre extérieur de la machine, un dispositif de coordination qui subit des contraintes de haute température et de haute pression, un risque élevé de fuite entre la chambre de travail et le dispositif de coordination, et une cinématique qui n'est pas flexible.
Résumé de l'invention
La présente invention a pour objectif de pallier les différents inconvénients énoncés ci-dessus, au moyen d'un dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de détente, qui permette d'assurer les étapes d'admission, compression, chauffage, détente, et échappement d'un fluide de travail et ce tout en restituant de l'énergie mécanique via une transformation de l'énergie thermique. Le dispositif selon l'invention doit être compact, robuste, fonctionner avec un minimum de pièces, être étanche vis-à-vis de la chambre de travail et des pistons, et permettre de réguler la vitesse des pistons via une cinématique flexible afin d'améliorer les performances de la machine. L'invention concerne un dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et détente utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comportant :
un premier arbre d'entrée destiné à être relié à une première paire de pistons ; un deuxième arbre d'entrée destiné à être relié à une deuxième paire de pistons, les deux arbres ayant un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre et étant coaxiaux selon un axe X. Un exemple de machine de compression et de détente est une machine de type ciseaux.
Ces deux paires de pistons permettent aux cellules de la chambre de travail d'effectuer un nombre pair de cycles d'expansion/contraction lors d'un tour de rotation. Plus précisément, le dispositif de coordination est configuré pour que chaque cellule effectue le même nombre de premiers cycles d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente de fluide que de deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression de fluide.
Les pistons de chaque paire ont un mouvement solidaire et sont, par exemple, diamétralement opposés.
Le fait que les deux arbres d'entrée aient un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre permet de faire varier le volume des cellules tournantes pour que d'un côté, la diminution du volume s'apparente à une phase de contraction / compression, tandis que de l'autre côté l'augmentation du volume de la cellule constitue une phase d'expansion / détente.
L'invention se caractérise à titre principal en ce que le dispositif de coordination comprend également des moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons via les deux arbres d'entrée.
Ces moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons permettent de moduler la vitesse des pistons par des accélérations ou des ralentissements à des moments précis au cours des différents cycles, afin d'augmenter les performances de la machine. Plus précisément, lesdits moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons consistent en au moins un premier linguet entraîné par le premier arbre d'entrée et apte à venir au contact d'un chemin de came interne fixe au sein de la machine de compression et détente, et en au moins un deuxième linguet entraîné par le deuxième arbre d'entrée et apte à venir au contact d'un chemin de came externe fixe au sein de la machine de compression et détente.
Chaque linguet canalise le mouvement de rotation de l'arbre d'entrée correspondant. En effet, la forme du chemin de came sur lequel glisse le linguet impose aux deux pistons fixés sur l'arbre correspondant un profil de vitesse prédéfinie, avec des accélérations et des ralentissements. L'existence de deux chemins de came permet une gestion indépendante du profil de vitesse des deux paires de pistons, la synchronisation d'ensemble des deux paires de pistons étant gérée par un mécanisme d'engrenages qui sera décrit plus loin. Ainsi une paire de pistons peut prendre de l'avance ou du retard par rapport à l'autre paire de pistons via l'action des linguets.
L'idée à la base de l'invention est d'introduire des zones d'accélération ou de ralentissement des pistons notamment lors de leur passage devant les ouvertures de la machine, pour l'admission du fluide, la sortie du fluide vers l'échangeur, l'entrée du fluide en provenance de l'échangeur, et enfin l'échappement du fluide. En effet, la variation de la vitesse des pistons permet de modifier la loi de volume, c'est-à-dire de faire varier le volume des cellules, et par conséquent de faire varier le remplissage de la machine à des moments clés lors d'un tour de rotation. Cela permet de contrôler plus précisément les phases d'échanges avec l'échangeur et les temps de passage devant les ouvertures d'entrée/sortie basse pression (c'est-à-dire admission et échappement) et haute pression (c'est-à-dire entrée/sortie échangeur) de la machine. Ce contrôle du remplissage permet d'augmenter les performances de la machine.
Concrètement, chaque chemin de came présente au moins un tronçon avec une variation de profil entraînant une variation de vitesse du mouvement de la paire de pistons correspondant. . La variation de profil peut consister par exemple en une vague ou un plat pratiqué(e) sur le chemin de came. Cette vague ou ce plat doit être positionné(e) à un emplacement bien précis sur le chemin de came. Ces variations de profil peuvent également être utilisées de façon avantageuse pour rattraper les jeux dus aux dispersions, par exemple lors de l'usinage des pièces, du montage ou suite à des défauts de forme. Cela peut se faire en modifiant le profil théorique du chemin de came pour reprendre les défauts réels constatés sur les pièces finies et montées.
De façon pratique, les deux chemins de came sont démontables. Cela permet de passer facilement d'une loi de volume à une autre, simplement en changeant le profil du chemin de came.
Selon une configuration possible, chaque linguet est fixé à une roue dentée satellite gravitant autour d'un arbre d'entrée via un pignon. Ainsi les linguets suivent le mouvement de gravitation des roues dentées autour des pignons, tout en étant en permanence en contact avec les chemins de came, de façon à accélérer ou ralentir ce mouvement de gravitation et influencer la vitesse des pistons. Les roues dentées satellites et les pignons font partie du mécanisme d'engrenages qui sera décrit plus loin. Plus précisément, chaque linguet se compose :
- d'un arbre dont un tronçon d'extrémité est inséré et fixé dans un orifice central prévu à cet effet dans la roue dentée correspondante ; - d'une patte s'étendant radialement de l'arbre, et dont l'extrémité libre est apte à venir au contact du chemin de came correspondant prévu à cet effet dans une plaque fixe au sein de la machine ciseaux. Selon l'invention, le dispositif de coordination comprend également :
un arbre de sortie de la machine de compression et de détente ;
un mécanisme d'engrenages entre les arbres d'entrée et l'arbre de sortie comprenant :
o un premier ensemble d'engrenages transmettant un premier mouvement discontinu de rotation du premier arbre d'entrée à l'arbre de sortie ;
o un deuxième ensemble d'engrenages transmettant second un mouvement discontinu de rotation du deuxième arbre d'entrée à l'arbre de sortie, complémentaire du premier mouvement, ledit arbre de sortie ayant un mouvement de rotation continu ;
les ensembles d'engrenages comprenant des moyens d'entraînement mutuel.
Ainsi, les ensembles d'engrenages comportent une liaison leur permettant de s'entraîner mutuellement, en fonction de la rotation des arbres d'entrée. Le premier ensemble d'engrenage peut entraîner leur deuxième ensemble, et inversement. Ces moyens d'entraînement mutuel comprennent notamment les ensembles linguets / chemins de came tels que décrit précédemment.
Le couple généré sur l'arbre de sortie est ensuite redonné au moteur thermique, par exemple via une transmission. Dans un autre mode de réalisation, ce couple peut être utilisé pour générer un courant électrique.
L'utilisation d'engrenages pour assurer la cinématique du dispositif de coordination permet de réduire le nombre de pièces, et de garantir un mécanisme robuste.
De préférence, le premier mouvement discontinu de rotation du premier arbre d'entrée correspond à un demi-tour de rotation de l'arbre de sortie. Le second mouvement discontinu de rotation du deuxième arbre d'entrée correspond à un demi-tour de rotation de l'arbre de sortie, complémentaire du premier demi-tour.
Selon l'invention le dispositif de coordination du mouvement des pistons est réversible, la rotation de l'arbre de sortie entraînant la rotation des arbres d'entrée, de telle sorte que, dans la phase d'admission/compression l'arbre de sortie machine est le point d'entrée. Dans ce cas, la rotation de l'arbre de sortie entraîne la rotation des arbres d'entrée, et a fortiori la rotation des deux paires de pistons via le mécanisme d'engrenages, avec un rapprochement d'une paire de pistons par rapport à l'autre qui entraîne la compression du fluide. Dans la phase de détente, c'est l'éloignement d'une paire de pistons par rapport à l'autre qui entraîne la rotation des arbres d'entrée et donc le mouvement de rotation de l'arbre de sortie, et ce via le même mécanisme d'engrenages. Ainsi, dans la phase de compression le couple généré sur l'arbre de sortie est négatif, tandis que dans la phase de détente le couple généré sur l'arbre de sortie est positif. Le bilan final sur un tour de rotation de l'arbre de sortie doit être positif pour générer un gain d'énergie.
Le mécanisme d'engrenages va être décrit plus précisément.
Tout d'abord, les premier et deuxième ensembles d'engrenages sont décalés angulairement par rapport à l'axe X.
Ensuite, chaque ensemble d'engrenages consiste en :
un pignon fixé autour de l'arbre d'entrée ;
au moins une roue dentée satellite gravitant autour dudit pignon et pourvue de moyens de double engrènement du pignon et de la roue dentée satellite de l'autre ensemble d'engrenages, ces moyens de double engrènement appartenant auxdits moyens d'entraînement mutuel des ensembles d'engrenages.
Selon une configuration possible, chaque ensemble d'engrenages comprend deux roues dentées satellites, gravitant autour du pignon et étant diamétralement opposées par rapport au pignon. Ceci permet de répartir la charge et les efforts transmis par le pignon sur deux roues dentées au lieu d'une seule. Ainsi, les efforts subis par chaque roue dentée sont réduits, et il est donc également possible de réduire la taille des roues en conséquence.
Le fait que les deux roues dentées satellites sont montées à 180° l'une par rapport à l'autre permet de répartir la masse de la même façon des deux côtés du pignon, et contribue à réduire les acyclismes et les effets dynamiques indésirables.
Avantageusement, toutes les roues dentées satellites ont les mêmes caractéristiques techniques (module d'élasticité, diamètre, nombre de dents, etc).
Selon une configuration possible, lesdits moyens de double engrènement d'une roue dentée satellite d'un ensemble d'engrenages consistent en un secteur angulaire de dents divisé en deux zones présentant deux longueurs de dent selon un axe parallèle à l'axe de rotation de la roue dentée satellite, une zone dotée de dents courtes étant prévue pour engrener le pignon, l'autre zone dotée de dents longues étant prévue pour engrener à la fois le pignon et la roue dentée satellite proximale appartenant à l'autre ensemble d'engrenages.
Par conséquent, la roue dentée peut entraîner à elle seule deux autres pièces du mécanisme. Ce double engrènement est très avantageux puisqu'il permet encore de réduire le nombre de pièces dans le mécanisme. Par ailleurs, les roues dentées sont taillées uniquement sur un secteur angulaire, et non pas sur tout le périmètre extérieur, de sorte à ne garder que les parties fonctionnelles. Cela permet d'alléger le poids du mécanisme d'engrenages, de minimiser les frottements et de diminuer l'encombrement du mécanisme. Il en est de même pour les pignons qui ne sont taillés que sur un secteur angulaire.
Avantageusement, les deux arbres d'entrée et l'arbre de sortie sont coaxiaux, l'arbre de sortie étant solidaire d'un flasque entraîné en rotation par les deux roues dentées satellites. Le flasque récupère en entrée les mouvements discontinus de rotation des roues dentées qui se complètent de manière à former un mouvement continu de rotation qu'il transmet en sortie à l'arbre de sortie.
Optionnellement, le dispositif de coordination selon l'invention est compris dans une boîte cinématique séparée fluidiquement de l'espace où évoluent les pistons. Cette configuration permet de lubrifier correctement le mécanisme d'engrenages et d'éviter d'introduire du lubrifiant dans la chambre de travail où tournent les pistons. Cette séparation permet également à la boîte cinématique de ne pas subir les contraintes de température, de pression, et de frottement sec qui existent dans la chambre de travail. Et surtout, cette boîte cinématique est modulable quelle que soit la forme et la taille de la chambre de travail (forme cylindrique, ovoïde, toroïdal).
Cette boîte cinématique est dotée de moyens de régulation de la température interne consistant en un couvercle externe apte à venir fermer la boîte cinématique et doté d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie d'un fluide, de type eau ou huile, circulant à l'intérieur de la boîte cinématique. Ainsi, le fluide qui est injecté dans la boîte cinématique est toujours à une température bien précise, pour atteindre une viscosité bien précise, afin d'assurer une lubrification optimale.
L'invention concerne également et plus généralement une machine de compression et détente de type ciseaux utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comprenant un dispositif de coordination du mouvement des pistons tel que décrit ci-dessus.
Présentation des figures L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures annexées, pour lesquelles :
la figure 1 présente schématiquement l'installation d'un système selon l'invention pour valoriser l'énergie des gaz d'échappement d'un moteur thermique ;
la figure 2 présente schématiquement le fonctionnement d'une machine ciseaux à pistons selon l'invention dans un système de récupération d'énergie ;
la figure 3 est une vue éclatée qui illustre l'association entre les deux arbres d'entrée et les deux paires de pistons ; la figure 4 est une vue éclatée d'un dispositif de coordination du mouvement des pistons selon une première configuration de l'invention ;
la figure 5 est une vue en coupe du dispositif de coordination de la figure 4 illustrant le mécanisme d'engrenages ;
- les figures 6, 7 et 8 sont des vues agrandies respectivement d'un pignon, d'une roue dentée, et d'un ensemble linguet / roue dentée, selon une première configuration de l'invention ;
la figure 9 montre une vue de profil et une vue de face du couvercle de la boîte cinématique du dispositif de coordination ;
- la figure 10 représente une loi de volume classique ;
la figure 1 1 représente une loi de volume via des chemins de came selon l'invention ; la figure 12 représente le profil de vitesse des pistons selon l'invention ;
les figures 13 et 14 sont des vues en coupe du dispositif de coordination au niveau du premier arbre d'entrée et du deuxième arbre d'entrée respectivement selon une deuxième configuration de l'invention ;
la figure 15 est une vue agrandie d'un pignon selon la deuxième configuration de l'invention ;
la figure 16 est une vue en coupe du dispositif de coordination au niveau des linguets et des chemins de came, selon une deuxième configuration de l'invention ;
- les figures 17 et 18 sont des vues en coupe reprenant la figure 16 et montrant des zones sensibles de fonctionnement ;
La figure 19 est vue éclatée d'un dispositif de coordination du mouvement des pistons selon une deuxième configuration de l'invention. Description détaillée
L'invention concerne une machine rotative à pistons, qui est dans cet exemple de type ciseaux, conçue pour être utilisée dans un système de récupération d'énergie en faisant travailler un fluide suivant un cycle comprenant les étapes d'admission, compression, chauffage puis de détente, échappement, comme cela été exposé précédemment. L'exemple de réalisation de l'invention est présenté dans le cadre d'une intégration sur un véhicule automobile propulsé par un moteur thermique, pour valoriser l'énergie dissipée par les gaz d'échappement. Cependant, le déposant n'entend pas limiter la portée de son invention à ce cadre car il est facile de transposer le type de source de chaleur ou d'énergie récupérée à d'autres installations. Le système schématiquement présenté en exemple sur la figure 1 utilise de l'air comme fluide de travail, avec un cycle ouvert. L'air est aspiré à condition atmosphérique ambiante avant compression puis rejeté dans l'atmosphère après la détente. Comme il a été expliqué plus haut, ce choix est avantageux en termes d'intégration sur un véhicule mais il n'exclut pas le choix d'un cycle fermé, avec refroidissement du fluide de travail dans d'autres installations.
Le système décrit en exemple comporte ici :
une source chaude constituée par les gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement 1 en provenance du moteur thermique 2 ;
un échangeur de chaleur 3 entre ces gaz d'échappement et l'air, placé sur la ligne d'échappement 1 ;
une machine 4 de compression et détente, effectuant d'une part la compression de l'air allant dans l'échangeur 3, d'autre part la détente de l'air chaud sortant de l'échangeur 3 ;
des conduites 5 pour faire circuler l'air comprimé de la machine 4 vers l'échangeur 3 et des conduites 6 pour renvoyer l'air chauffé dans l'échangeur 3 vers la machine 4 ;
des conduites 7 pour aspirer l'air ambiant vers la machine 4 et des conduites 8 pour rejeter l'air ayant travaillé vers l'atmosphère ;
un système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie.
Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 1 le système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie est un moyen de transmission mécanique entre l'axe 10 de la machine 4 de compression et de détente et l'arbre 1 1 du moteur entraînant le véhicule, destiné à récupérer le supplément de couple apporté par l'axe 10. Dans une variante, ce système 9 peut être un moteur électrique relié à l'axe 10 de la machine 4, destiné à fonctionner en générateur sous l'action de l'axe 10. En référence à la figure 2, la machine 4 ciseaux à pistons comprend un corps creux
12a formant une chambre 12 cylindrique de section transversale circulaire autour d'un axe X.
Le corps creux 12a comporte quatre lumières formant des ouvertures 16, 17, 18, 19 dans la chambre 12. En tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre (sens antihoraire) :
une première ouverture 16 est située en bas et est destinée à être reliée à la conduite 7 aspirant l'air ambiant, une deuxième ouverture 17 est située en haut, sensiblement à la verticale de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 5 envoyant l'air dans l'échangeur 3,
une troisième ouverture 18 est située également en haut, proche de la deuxième ouverture 17, et est destinée à être reliée à la conduite 6 amenant l'air sortant de l'échangeur 3,
une quatrième ouverture 19 est située en bas, sensiblement à la verticale de la troisième ouverture 18 et proche de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 8 rejetant l'air dans l'atmosphère.
Quatre pistons 14a, 14b, 14c, 14d tournant autour de l'axe X sont installés à l'intérieur de la chambre 12. Ils sont configurés pour occuper chacun une portion de secteur angulaire d'angle donné entre la paroi cylindrique extérieure de la chambre 12 et une surface cylindrique intérieure 13 de section transversale à l'axe de rotation X circulaire.
Ces pistons 14 sont groupés en deux paires de pistons diamétralement opposés. Les pistons de chaque paire sont solidaires. Par contre, les deux paires de pistons peuvent tourner autour de l'axe de manière différente, en s'écartant ou se rapprochant. De cette manière, les quatre pistons 14 définissent deux à deux et entre la paroi extérieure de la chambre 12 et la surface intérieure 13, quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d dont le volume peut augmenter ou diminuer.
Le mouvement des deux paires de pistons est coordonné de telle sorte que chacune des quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d suive deux cycles d'expansion et de contraction tout en passant devant les quatre ouvertures 16, 17, 18, 19 de la chambre 12.
Pour obtenir ce résultat, comme illustré en figure 3, une première paire de pistons 14a-14c est reliée à un premier arbre d'entrée 20 creux qui laisse passer un deuxième arbre d'entrée 21 auquel est fixé la deuxième paire de pistons 14b-14d. De cette manière les deux paires de pistons 14a-14c, 14b-14d, peuvent être entraînées séparément en rotation par les deux arbres d'entrée 20, 21.
Les deux arbres d'entrée 20, 21 traversent une face transversale de la paroi de la chambre 12 et sont couplés, à l'extérieur de cette chambre 12, entre eux et/ou avec l'arbre de sortie 10 de la machine ciseaux 4, par un dispositif de coordination 22 de leurs mouvements, tel qu'illustré en figure 4, qui leur permet de réaliser les cycles d'expansion/contraction des cellules 15a, 15b, 15c, 15d tandis que l'arbre de sortie 10 de la machine 4 suit un mouvement de rotation régulier. Ce dispositif de coordination comporte plus précisément un mécanisme d'engrenages entre les arbres d'entrée 20, 21 et l'arbre de sortie 10. A l'extrémité de chaque arbre d'entrée 20, 21 , est fixé un pignon 23, 24, par exemple via des cannelures intérieures 25. Les deux pignons 23, 24 sont concentriques et décalés angulairement. Ils sont illustrés plus précisément sur les figures 3 et 6. Chaque pignon 23, 24 comporte une partie fonctionnelle extérieure avec des dents 26 pour engrener une autre pièce, mais uniquement sur un secteur angulaire bien précis, de sortie à alléger le poids du pignon 23, 24 et à diminuer l'encombrement du mécanisme.
Autour de chaque pignon 23, 24 gravite une roue dentée satellite 27, 28, telle qu'illustrée en figure 7. Tout comme le pignon 23, 24, la roue dentée 27, 28 comporte une partie fonctionnelle extérieure avec des dents pour engrener au moins une autre pièce, mais uniquement sur un secteur angulaire bien précis, de sorte à alléger le poids de la roue dentée 27, 28 et à diminuer l'encombrement du mécanisme. Plus précisément, ce secteur angulaire comprend deux longueurs de dents : une zone avec des dents courtes 29 pour l'engrènement avec le pignon 23, 24, et une zone avec des dents longues 30 pour l'engrènement à la fois du pignon 23, 24 et de la roue dentée 27, 28 voisine. Ainsi, chaque roue dentée 27, 28 engrène le pignon correspondant 23, 24 via des dents à la fois courtes
29 et longues 30 qui sont réparties de façon homogène sur toute la périphérie du secteur angulaire.
En d'autres termes, la roue dentée 27, 28 comprend un premier étage de dents 29,
30 réparties de façon homogène sur toute la périphérie du secteur angulaire, et un second étage de dents 30 localisées dans le prolongement des dents du premier étage, et réparties sur une partie seulement de la périphérie du secteur angulaire, afin d'alléger encore le poids de la roue dentée 27, 28.
Un linguet 32, 33 est fixé sur chaque roue dentée 27, 28, comme illustré en figure 8. Le linguet 32, 33 se compose :
- d'un arbre 34 dont un premier tronçon d'extrémité est inséré et fixé dans un orifice central 31 prévu à cet effet dans la roue dentée 27, 28 ;
- d'une patte 35, s'étendant radialement de l'arbre 34, et dont l'extrémité libre 36 est apte à venir au contact d'un chemin de came 37, 38 prévu à cet effet dans une plaque 39 fixe au sein de la machine ciseaux, et représentée aux figures 4 et 5. Chaque linguet 32, 33 décrit donc un mouvement de gravitation autour des arbres d'entrée 20, 21 reproduisant le mouvement de gravitation de la roue dentée 27, 28 à laquelle il est solidarisé. La plaque 39 appartient au dispositif de coordination 22 du mouvement des pistons, et réalise une séparation entre d'un côté l'espace où évoluent les pistons 14, et de l'autre côté l'espace comprenant le mécanisme d'engrenages du dispositif de coordination 22. Cette plaque 39 est d'allure circulaire, et comprend un orifice central traversé par les deux arbres d'entrée 20, 31 .
Sur la face orientée du côté du mécanisme d'engrenages se trouvent des parties en reliefs, dont le pourtour constitue un chemin de came. Une première partie en relief 40 se trouve au niveau de la périphérie de la plaque 39, et la bordure interne de ce relief 40 forme un chemin de came dit « interne » 37. Une seconde partie en relief 41 se trouve sur la zone centrale de la plaque 39, et la bordure externe de ce relief 41 forme un chemin de came dit « externe » 38. Ces deux chemins de came 37, 38 ont une allure ovale.
La patte 35 du linguet 32 de la roue dentée 27 solidaire du premier arbre d'entrée 20 via le pignon 23 évolue sur le chemin de came interne 37, tandis que la patte 35 du linguet 33 de la roue dentée 28 solidaire du second arbre d'entrée 21 via le pignon 24 évolue sur le chemin de came externe 38.
L'arbre de sortie 10 est fixé sur un flasque 42 dans lequel se trouvent deux orifices 43, 44 aptes à accueillir deux tronçons cylindriques 45 saillant respectivement des deux roues dentées 27, 28 et coaxiaux avec l'axe de rotation des roues dentées 27, 28. Ce flasque 42 est ainsi entraîné par ces deux tronçons cylindriques 45, et suit le mouvement de gravitation, et non pas de rotation, des roues dentées 27, 28 autour des pignons 23, 24. Pour une meilleure tenue mécanique, le flasque 42 est fixé via quatre vis 48 à un plateau tournant 46 fixé à la plaque 39 via un roulement à billes 47. Quatre entretoises 49 permettent de garantir une distance prédéfinie entre le flasque 42 et le plateau tournant 46. Ce dernier suit donc le mouvement de rotation du flasque 42.
De la même manière, le second tronçon d'extrémité de l'arbre 34 de chaque linguet 32, 33 est monté libre en rotation dans un orifice 50 prévu à cet effet dans le plateau tournant 46. Par conséquent les mouvements des linguets 32, 33, du plateau tournant 46, des roues dentées 27, 28, et du flasque 42 sont liés. La cinématique du dispositif de coordination du mouvement des pistons va à présent être décrite.
Les pistons 14a, 14b, 14c, 14d tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, la machine ciseaux 4 fait circuler l'air de manière discontinue dans le système, par aspiration/refoulement de bouffées de gaz correspondant au passage des cellules 15a, 15b, 15c, 15d devant les ouvertures 16, 17, 18, 19, de la chambre 12.
Les pistons 14a, 14b, 14c, 14d sont identiques en taille et les deux paires de pistons 14a-14c, 14b-14d suivent le même mouvement de manière déphasée. Les quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d suivent donc un cycle identique au cours d'une rotation complète, qui est décrit ci-après pour indiquer comment la machine fait circuler l'air.
La machine aspire de l'air haute pression, provenant de l'échangeur 3, par l'ouverture 18 haute de gauche et renvoie cet air détendu à basse pression vers l'atmosphère par l'ouverture 19 basse de gauche.
En effet, la cellule 15c, située entre le piston 14c presque arrêté vers le haut et le piston 14d qui s'en éloigne, est le siège d'une détente de l'air qu'elle contient. Cet air provient de l'ouverture 18 relié à la sortie de l'échangeur 3 lorsque le piston 14c du haut n'occultait pas l'ouverture d'arrivée d'air 18.
La détente de l'air comprimé chaud entraine la deuxième paire de pistons 14b-14d en rotation autour de l'axe X et non seulement permet de comprimer l'air froid présent dans la cellule 15b, mais engendre aussi une énergie mécanique qui va être transmise au dispositif de coordination 22 via le deuxième arbre d'entrée 21 . En effet, la rotation du deuxième arbre d'entrée 21 et donc du pignon 24 dans le sens antihoraire va entraîner :
- la gravitation de la roue dentée 28 dans le sens antihoraire, qui va entraîner la rotation du flasque 42 dans le sens antihoraire, et donc à fortiori la rotation de l'arbre de sortie 10 dans le sens antihoraire, et la gravitation de la roue dentée 27 dans le sens antihoraire ;
- la rotation de la roue dentée 28 dans le sens horaire, qui va à son tour entraîner la rotation de la roue dentée 27 dans le sens antihoraire, qui va provoquer une petite rotation du pignon 23 dans le sens antihoraire, et donc à fortiori une petite rotation du premier arbre 20 et de la première paire de pistons 14a-14c dans le sens antihoraire.
Le dispositif de coordination 22 utilise ainsi une partie de l'énergie engendrée par la détente de l'air comprimé pour faire bouger également la deuxième paire de pistons 14a-14c et faire effectuer à la machine ciseaux 4 les étapes d'admission d'air dans la cellule 15a et d'envoi de l'air comprimé de la cellule 15b vers l'échangeur.
Le dispositif de coordination 22 restitue l'énergie restante sur l'arbre de sortie 10 de la machine ciseaux 4.
Le circuit de retour se termine dans la cellule 15d située entre le piston 14a presque arrêté vers le bas et le piston 14d qui le rattrape. En se contractant la cellule 15d refoule l'air détendu vers l'atmosphère par l'ouverture 19. Par un mécanisme symétrique, lorsque le piston 14c a dépassé l'ouverture 18, et que l'air comprimé chaud est entré dans la cellule 15b, alors s'opère une détente de l'air comprimé qui va accélérer le mouvement de la première paire de pistons 14a-14c, tandis que la deuxième paire de pistons 14b-14d bouge au ralenti grâce à la récupération d'une partie de l'énergie engendrée par la détente de l'air comprimé, comme expliqué précédemment.
En effet, cette nouvelle détente de l'air comprimé chaud dans la cellule 15b entraîne la première paire de pistons 14a-14c en rotation autour de l'axe X et non seulement permet de comprimer l'air froid présent dans la cellule 15a, mais engendre aussi une énergie mécanique qui va être transmise au dispositif de coordination 22 via le premier arbre d'entrée 20. En effet, la rotation du premier arbre d'entrée 20 et donc du pignon 23 dans le sens antihoraire va entraîner :
- la gravitation de la roue dentée 27 dans le sens antihoraire, qui va entraîner la rotation du flasque 42 dans le sens antihoraire, et donc à fortiori la rotation de l'arbre de sortie 10 dans le sens antihoraire, et la gravitation de la roue dentée 28 dans le sens antihoraire ;
- la rotation de la roue dentée 27 dans le sens horaire, qui va à son tour entraîner la rotation de la roue dentée 28 dans le sens antihoraire, qui va provoquer une petite rotation du pignon 24 dans le sens antihoraire, et donc à fortiori une petite rotation du deuxième arbre 21 et de la deuxième paire de pistons 14b-14d dans le sens antihoraire.
Le dispositif de coordination 22 utilise ainsi une partie de l'énergie engendrée par la détente de l'air comprimé pour faire bouger également la deuxième paire de pistons 14b-14d et faire effectuer à la machine ciseaux 4 les étapes d'admission d'air dans la cellule 15d et d'envoi de l'air comprimé de la cellule 15a vers l'échangeur.
Le dispositif de coordination 22 restitue l'énergie restante sur l'arbre de sortie 10 de la machine ciseaux 4. Les étapes suivantes consistent en une accélération de la deuxième paire de pistons 14b-14d, puis une accélération de la première paire de pistons 14a-14c.
Ces quatre étapes d'accélération sont réparties sur un tour complet des pistons, et engendre un tour complet de l'arbre de sortie 10. La moitié de ce tour est généré grâce à l'énergie en provenance de la première paire de pistons 14a-14c et donc du premier arbre d'entrée 20, via un premier ensemble d'engrenages 23, 27, et l'autre moitié de ce tour est généré grâce à l'énergie en provenance de la deuxième paire de pistons 14b-14d et donc du deuxième arbre de sortie 21 via un deuxième ensemble d'engrenages 24, 28. Le système fonctionne en mode récupération dès que l'énergie fournie par la détente est supérieure à l'énergie de compression et aux pertes du dispositif.
L'invention porte également sur un autre point important, à savoir la régulation de la vitesse du mouvement des pistons. Cette régulation est effectuée via les linguets 32, 33 et les chemins de came 37, 38.
Plus précisément, la gravitation des deux roues dentées 27, 28 entraîne la gravitation des arbres 34 des linguets 32, 33 autour des arbres d'entrée 20, 21 et le coulissement des pattes 35 des linguets 32, 33 sur les deux chemins de came 37, 38. Mais ces derniers peuvent contenir des tronçons présentant une légère variation de profil, afin d'introduire des zones d'accélération ou de ralentissement des pistons 14.
La figure 10 montre un graphique représentant la variation du volume d'air (en m3) dans une cellule 15 en fonction de l'angle (en degré) du vilebrequin, c'est-à-dire de l'angle du piston 14 au sein de la chambre de travail. Il s'agit d'un exemple de loi de volume normale. Le volume augmente et diminue de façon constante selon la courbe.
La figure 1 1 montre un graphique où la loi de volume est modifiée par l'introduction de quatre plats 51 , 52, 53, 54 sur la courbe qui correspondent à des variations du profil des chemins de came 37, 38. Les plats 51 et 53 correspondent à un ralentissement puis une accélération de l'augmentation du volume, et les plats 52 et 54 correspondent à un ralentissement puis une accélération de la diminution du volume.
Ces variations du profil du chemin de came 37, 38 provoquent concrètement des accélérations et des ralentissements dans le mouvement de gravitation des linguets 32, 33, et donc à fortiori dans le mouvement de gravitation des roues dentées 27, 28 et le mouvement de rotation des pignons 23, 24, des arbres d'entrée 20, 21 et enfin des pistons 14 à des emplacements stratégiques sur le tour de rotation, notamment lors du passage des pistons devant les différentes ouvertures 16, 17, 18, 19 de la machine.
Le profil de vitesse des pistons 14 est indiqué en figure 12. Ce graphique montre l'évolution du régime des pistons 14 (en tr/min) en fonction de l'angle de l'arbre principal de sortie 10 (en degré). Ce graphique permet de visualiser simultanément le profil de vitesse d'une paire de pistons 58 et de l'autre paire de pistons 59. Une petite zone 60 de plat est visible sur ces deux profils de vitesse 58 et 59, et résulte d'une variation du profil des chemins de came 37, 38.
Toutes les pièces mentionnées ci-dessus appartenant au dispositif de coordination 22 du mouvement des pistons 14 sont contenues dans une boîte cinématique séparée fluidiquement de l'espace où évoluent les pistons 14, notamment grâce à la plaque 39 qui constitue le socle de la boîte cinématique et qui comprend des moyens d'étanchéité au niveau de l'orifice accueillant les arbres d'entrée 20, 21. Un couvercle 55, représenté en figure 9, vient s'emboîter sur le socle et enfermer le mécanisme d'engrenages et les ensembles linguets/chemins de came pour former la boîte cinématique. Ce couvercle 55 comprend un orifice d'entrée 56 et un orifice de sortie 57 d'un fluide, de type eau ou huile, pour lubrifier toute la mécanique contenue dans la boîte cinématique. Le fluide entrant dans la boîte est à une température optimale pour la lubrification. La circulation du fluide permet de régénérer en permanence le fluide et de conserver une température de lubrification constante, sans surchauffe.
Les figures 13 à 19 montrent un autre exemple de réalisation, où chaque ensemble d'engrenages comprend désormais deux roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b au lieu d'une seule. Dans ce cas, le pignon central 23', 24' est taillé des deux côtés pour pouvoir s'engrener à la fois avec les deux roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b montées à 180° l'une de l'autre, comme cela est visible aux f igures 13 à 15.
Le pignon 23', 24' comprend ainsi deux parties fonctionnelles extérieures avec des dents 26a, 26b pour engrener les autres pièces, mais toujours sur un secteur angulaire bien précis, de sortie à alléger le poids du pignon 23', 24' et à diminuer l'encombrement du mécanisme.
Puisqu'il y a quatre roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b, il y a également quatre linguets 32a, 32b, 33a, 33b, dont deux 33a, 33b circulent sur le chemin de came externe 38, et deux 32a, 32b circulent sur le chemin de came interne 37, comme illustré en figure 16.
Avantageusement, l'utilisation de deux linguets par pignon permet de réduire les pressions de contact entre le linguet et le chemin de came correspondant. Cela permet d'avoir des pièces plus petites et une durée de vie prolongée.
La solution optimale est celle où les linguets ont tous les mêmes caractéristiques techniques (longueur, rayon, matériau, etc .). Cela permet d'avoir les mêmes linguets sur les deux chemins de came, et de réduire les coûts de fabrication et surtout d'éviter les erreurs lors du montage et de n'avoir qu'une seule référence de pièce pour les linguets.
Les figures 17 à 18 montrent deux exemples d'agencement optimal des linguets dans le dispositif de coordination.
Ces figures reprennent le contour général 103 de la plaque 39 contenant le chemin de came interne 37 et le chemin de came externe 38. Le diamètre maximal (respectivement minimal) du chemin de came interne 37 est illustré par le cercle 101 (respectivement 100). Le diamètre maximal (respectivement minimal) du chemin de came externe 38 est illustré par le cercle 102 (respectivement 104).
Sont également représentés :
le premier arbre d'entrée 20
le deuxième arbre d'entrée 21
les pignons 23' et 24'
- l'arbre 34 des quatre linguets.
Sur la figure 17, les quatre linguets ont une patte dont l'extrémité libre 36 est circulaire et en contact avec les chemins de came 37, 38, et les roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b présentent des dents sur la totalité de leur pourtour circulaire.
Sur la figure 18, les quatre linguets ont une patte en forme de demi-lune avec une extrémité libre simplement arrondie en contact avec les chemins de came 37, 38, et les roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b présentent des dents sur un secteur angulaire seulement.
Ces deux figures 17 et 18 diffèrent également par le dimensionnement des différentes pièces.
Dans tous les cas, il est important de respecter les règles suivantes au niveau de différentes zones sensibles afin que le mécanisme puisse correctement fonctionner :
Zone sensible 108 : le diamètre minimal (cercle 104) du chemin de came extérieur 38 doit être supérieur au diamètre maximal des arbres 20, 21 afin de pouvoir les loger à l'intérieur ;
- Zones sensibles 105 et 106 : les arbres 34 des linguets ne doivent jamais entrer en collision avec les chemins de came 37, 38, c'est-à-dire qu'ils doivent toujours rester compris entre les cercles 102 et 100 ;
Zone sensible 107 : il ne doit pas y avoir d'interaction entre un linguet circulant sur le chemin de came externe 38 et un linguet voisin circulant sur le chemin de came interne 37. La figure 19 présente également un mode de réalisation dans lequel sont mis en œuvre quatre linguets en contact avec les chemins de came 37, 38, et avec quatre roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b. Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l'invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l'homme de l'art.

Claims

Revendications
Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comportant :
un premier arbre d'entrée (20) destiné à être relié à une première paire de pistons
(14a-14b) ;
un deuxième arbre d'entrée (21 ) destiné à être relié à une deuxième paire de pistons (14b-14d), les deux arbres (20, 21 ) ayant un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre et étant coaxiaux selon un axe X ;
caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons (14) via les deux arbres d'entrée (20, 21 ).
Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons comprennent : un premier linguet (32) entraîné par le premier arbre d'entrée (20) et apte à venir au contact d'un chemin de came interne (37) fixe au sein de la machine de compression et détente ;
un deuxième linguet (33) entraîné par le deuxième arbre d'entrée (21 ) et apte à venir au contact d'un chemin de came externe (38) fixe au sein de la machine de compression et détente.
Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque chemin de came (37, 38) présente au moins un tronçon avec une variation de profil entraînant une variation de vitesse du mouvement de la paire de pistons (14) correspondant. 4. Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce qu'au moins l'un des deux chemins de came (37, 38) sont démontables.
5. Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque linguet (32, 33) est fixé à une roue dentée satellite (27, 28) gravitant autour d'un arbre d'entrée (20, 21 ) via un pignon (23, 24).
Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque linguet (32, 33) comprend :
- un arbre (34) dont un tronçon d'extrémité est inséré et fixé dans un orifice central (31 ) prévu à cet effet dans la roue dentée (27, 28) correspondante ;
- une patte (35), s'étendant radialement de l'arbre (34), et dont l'extrémité libre (36) est apte à venir au contact du chemin de came (37, 38) correspondant prévu à cet effet dans une plaque (39) fixe au sein de la machine ciseaux.
Machine de compression et détente de type ciseaux utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comprenant un dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) selon l'une des revendications précédentes.
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