CA2620602C - Allumage par compression d'une charge homogene (acch) moteur rotatif a palette-piston - Google Patents

Abstract

Depuis plus d'un siècle, lorsque trois litres d'essence sont brûlés dans un véhicule équipé d'un moteur piston à allumage commandé ou d'un moteur piston diesel à allumage par compression, le 1er litre est gaspillé en chaleur, le 2e litre est perdu dans le réglage du débit au niveau du collecteur d'admission ou en énergie cinétique des gaz au niveau du tuyau d'échappement (une perte que les turbocompresseurs et le modèle de moteur à cycle thermodynamique Atkinson d'aujourd'hui ayant un taux d'expansion légèrement plus élevé tendent à réduire); seul le 3e litre est utilisé pour faire avancer le véhicule. Ce constat explique pourquoi, malgré les efforts techniques continus et les milliards de dollars dépensés en R et D, l'efficacité thermique de la plupart des moteurs piston-vilebrequin à allumage commandé et à allumage par compression stagne autour de 33 %. La hausse du prix de l'essence au cours des trois dernières décennies et les normes d'émissions atmosphériques ont poussé l'industrie automobile à étudier le mode de combustion plus prometteur qu'est l'ACCH. Le contrôle d'une combustion aussi rapide dans les moteurs conventionnels piston-vilebrequin sur une plage de vitesses utile s'est avéré plutôt difficile jusqu'ici, puisque les chambres de combustion sont conçues pour la déflagration sur le moteur à allumage commandé ou la flamme de diffusion sur le moteur à allumage par compression ou diesel, mais pas pour la détonation. Dans les moteurs à quatre temps, il faut deux révolutions de vilebrequin pour chaque temps de combustion. De plus, la faible amplitude sinusoïdale du taux de compression inhérent à la cinématique piston-manivelle à proximité du point mort haut (PMH) tend à causer soit des ratés lorsque le moteur est froid ou tourne à régime pauvre (la valeur du taux de compression est insuffisante pour la détonation à proximité du PMH), soit un cliquetis important, un excès de bruit, de vibration et de rudesse (NVH) et un taux d'accroissement de pression qui risque d'endommager la structure pendant les périodes transitoires, lorsque le moteur devient chaud ou tourne à charge plus élevée à un nombre plus faible de tours par minute (t/m) (problème de détonation prématurée). Par conséquent, la majorité des concepts d'ACCH en cours d'élaboration sont fondés sur des moteurs de type piston-vilebrequin équipés de systèmes informatisés sophistiqués qui tournent en mode ACCH en charge partielle ou au ralenti, mais reprennent, à pleine charge ou lors d'un démarrage à froid, le mode centenaire d'allumage commandé ou d'allumage par compression, lequel est moins efficace sur les plans thermique et environnemental, mais moins dur pour la structure. Cette invention vise à contrôler l'ACCH dans toutes les conditions de fonctionnement, réduisant ainsi au minimum les émissions atmosphériques du moteur et les pertes de chaleur au moyen d'un moteur palette-piston : une pompe à palettes radiales, équipée de palettes guidées positivement par des cames internes et externes, comprime graduellement l'air, ou un mélange homogène air-carburant, tout en maintenant l'air ou le mélange en deçà du niveau d'auto-allumage. Les pistons radiaux placés dans le rotor et synchronisés mécaniquement au mouvement des palettes génèrent une augmentation plus brusque du taux de compression, ce qui détonne la charge à proximité d'un angle optimal de l'arbre du rotor. Les gaz produits prennent alors rapidement de l'expansion, réduisant ainsi au minimum les pertes de chaleur au niveau des parois de la chambre pendant le temps de combustion. Ce concept offre une plage de couples utile à un nombre relativement faible de t/m, tirant avantage du principe du moteur à palettes, selon lequel il y a autant de temps de combustion que de palettes de rotor par révolution d'arbre. En raison de leur nombre élevé, les chambres de combustion peuvent avoir un volume beaucoup plus petit que dans un moteur piston-vilebrequin pour une puissance sur l'arbre similaire, ce qui est essentiel pour le mode ACCH à pleine charge. Une synchronisation mécanique simple et fiable avec les mouvements des palettes et du piston est assurée, pour un contrôle précis de détonation de la charge sur toute la plage de fonctionnement du moteur. Contrairement à la combinaison piston-vilebrequin, ce moteur palette-piston peut être conçu selon des valeurs inégales de taux de compression et de taux d'expansion : un taux d'expansion beaucoup plus élevé que le taux de compression, suivi d'une phase de recompression postallumage refroidie, maximise la puissance sur l'arbre au moyen d'un cycle thermodynamique inédit, dont l'efficacité peut dépasser celle du cycle Atkinson et très bien convenir aux applications de groupes électrogènes, de véhicules de surface et d'avions subsoniques. Un taux de compression supérieur au taux d'expansion assure une génération d'impulsions haute pression et haute fréquence (plus de cent Hertz) aux sorties d'échappement pour contrôler les moteurs à détonations pulsées pour la propulsion haute vitesse des aéronefs.