Procédé de freinage dans lequel de l'énergie cinétique agissant sur un arbre rotatif est transformée en énergie calorique, et dispositif pour la mise en #uvre de ce procédé. La présente invention concerne un procédé de freinage, dans lequel de l'énergie cinétique agissant sur un arbre rotatif est transformée en énergie calorique; elle concerne aussi un dispositif pour la mise en #uvre de ce pro cédé.
Pour freiner un corps en mouvement, il est connu de transformer en chaleur l'excès d'éner gie cinétique. Tous les freins mécaniques sont basés sur ce principe: ils transforment l'énergie cinétique en chaleur par un frottement. En général, cette chaleur est inutilisable; aussi des considérations de rendement incitent-elles à n'appliquer ce procédé que pour de courtes durées ou pour de faibles puissances. En outre, ce freinage provoque de l'usure. Pour de grandes puissances et des freinages assez longs de véhicules, comme c'est le cas clans les régions accidentées, on peut utiliser, uni quement en traction électrique, le système de freinage par récupération.
Ides mobiles équi pés d'une machine thermodynamique sont pratiquement dépourvus de moyens efficaces pour transformer l'énergie cinétique en cha leur sans entraîner de l'usure ou d'autres phé nomènes gênants.
Suivant le procédé objet de la présente invention, on applique l'énergie cinétique à une machine à piston à gaz chaud, de ma nière à entraîner cette machine pour trans former cette énergie cinétique en énergie calo- rique à l'aide du fluide gazeux circulant dans la machine.
Le dispositif pour la mise en #uvre de ce procédé est caractérisé par le fait qu'il coin- prend une machine à piston à gaz chaud.
Dans la description suivante, l'expression machine à piston à gaz chaud désigne l'en semble moteur et réfrigérateur, tandis que l'expression moteur sert à désigner seule ment le moteur qui transforme l'énergie calo rique en force nicarice.
En général, le procédé selon l'invention présente l'avantage suivant: il permet de transformer la force cinétique en énergie ca lorique et, dans des exécutions préférées, d'utiliser efficacement cette énergie calorique.
Par machine à piston à gaz chaud, on entend une machine dans laquelle un fluide gazeux, de composition chimique invariable, parcourt un cycle thermodynamique, essen tiellement réversible, dans deux enceintes en communication permanente et se trouvant à des températures différentes, cycle tel que dans l'une des enceintes se produit essen tiellement une compression du fluide et dans 1-autre une détente, cette machine compor tant des moyens pour remplacer (ou évacuer) lit. chaleur développée (ou perdue) pendant 1ï compression (ou la détente).
La machine à piston à gaz chaud peut être cvilstituée par un moteur à gaz chaud d tyi,c ouvert ou du type fermé, ou par une machine frigorifique fonctionnant suivant le principe du moteur à gaz chaud inversé.
Dans le dessin annexé, plusieurs formes d'exécution du dispositif pour la mise en #uvre du procédé selon l'invention sont r epré- sentées, à titre d'exemple.
La fig. 1 montre un treuil de levage équipé d'un moteur à gaz chaud.
La fig. 2 montre un moteur à gaz chaud, muni d'un inverseur de marche qui permet de fournir de la puissance pour deux sens de rotation de l'organe à freiner.
La fig. 3 montre une autre forme d'exécu tion d'un moteur à gaz chaud.
Dans la fig. 1, un moteur à gaz chaud 30, de construction usuelle, sert à fournir de la puissance dans un seul sens de rotation. Le moteur est flanqué d'une bouteille servant comme réservoir à combustible 31, duquel le combustible, par exemple du propane, est amené sous pression au brûleur incorporé au moteur. Une vanne 39, insérée dans la cana lisation de combustible, permet de couper complètement l'alimentation en combustible pendant l'arrêt de l'installation. Par l'inter médiaire d'un accouplement à friction 36, la force motrice de ce moteur à gaz chaud est transmise à l'arbre de commande 35 d'un treuil de levage 32. L'accouplement à friction 36 permet d'embrayer et de débrayer le treuil, mais il ne permet pas d'en modifier la vitesse ou d'en inverser le sens de rotation.
Le treuil de levage est de construction nor male: il comporte un tambour 33, dont l'ar bre porte une roue dentée de grand diamètre. Cette roue engrène avec un pignon monté sur l'arbre moteur 35.
Le moteur à gaz chaud 30 est construit de manière qu'il ne peut fournir de la puissance due dans un seul sens de rotation: celui de l'enroulement du câble sur le tambour 33. r n levier 37 commande l'accouplement à friction 36 et permet d'arrêter le treuil pendant la marche du moteur. Le moteur à gaz chaud comporte un levier régulateur de la puissance 38, ce qui permet d'adapter la puissance four- n-iie par le moteur au poids des charges à lever et à la vitesse de déplacement de ces charges. S'il y a lieu de lever un grand nombre; de charges identiques, on pie,iut placer d'avance le levier 38 dans une position déterminée.
Dans le carter du moteur est monté un régu lateur automatique qui empêche l'emballement du moteur lors de la suppression -de la charge. La puissance développée peut. être réglée soit à l'aide de ce levier 38, soit à l'aide d'un robi net d'alimentation 39 qui permet. de varier la fourniture de chaleur. Dans des installa tions aussi simples, des moyens de réglage plus exacts sont superflus pour autant que les parties du réchauffeur du moteur puissent supporter une surcharge notable, tant en ee qui concerne la température que la pression.
En général, ce sera le cas; en effet, pour des raisons d'ordre constructif, les dimensions (le petites installations simples sont pratiqu- ment. toujours trop grandes.
La descente de la charge peut s'effectuer soit en débrayant l'accouplement 36, ce qui provoque, la chute libre de la charge, soit, en diminuant la puissance maximum (lu moteur à gaz chaud, de manière que le couple obtenu sur l'arbre soit. inférieur au couple exercé par la charge sur le tambour.
Dans ce dernier cas, la charge mentraîne le moteur à gaz chaud, de sorte que, dans le moteur, le cycle est for cément parcouru dans le sens inverse à celui clans lequel le moteur fournit. du travail et la moteur freine alors le mouvement de des cente de la charge.
Il v a de soi que, clans ce cas, de la chaleur est transmise du réfrigé rant du moteur (dans ce cas, un simple ra- diateur à air) vers le réchauffeur. Si, dans de telles installations simples, l'alimentation en combustible, par exemple le propane, con tinue à fonctionner normalement, la tempéra ture du réchauffeur augmente immédiate ment. La chaleur ainsi accumulée peut ce pendant être utilisée efficacement pendant le levage de la charge suivante pour fournir du travail, de sorte que ce mode de freinage est très économique.
La. fig. 2 montre un dispositif prévu pour fournir du travail dans les deux sens de rota tion; dans ce dispositif, le freinage peut aussi s'effectuer dans les deux sens. Dtant donné crue le moteur à gaz chaud lui-même n'est adapté que pour fournir (lu travail dans un seul sens de rotation, il faut prévoir un accou- plcment inverseur 44 qui permet d'inverser le gens de rotation de l'arbre entraîné.
Le moteur à gaz chaud est flanqué d'un réservoir à combustible 41, duquel le propane est amené au brûleur de moteur à gaz chaud par l'intermédiaire d'une vanne de réglage 42. lette vanne 42 peut être réglée soit autocoa- tiquement, soit à la main, de manière que la chaleur libérée (le la quantité de combustible fournie soit égale à la quantité de chaleur né cessaire pour développer le travail requis. Pour le but envisagé, ce réglage de la puis sance utile suffit. Cependant, le dispositif de réglage doit être disposé de manière que la vanne 42 soit fermée ou pratiquement fermée pendant le freinage. Dans un moteur à un seul sens de rotation, ce résultat s'obtient faci lement à l'aide d'un régulateur accouplé au vilebrequin.
Le vilebrequin du moteur à gaz chaud est accouplé à un arbre 43, qui transmet la puis sance développée à l'accouplement inverseur précité 44. Ces acecuplements inverseurs sont d'usage fréquent en pratique et peuvent donc étre supposés connus, de sorte que leur des cription est superflue. Le levier 45 sert à in verser le sens de rotation. Ce levier a deux positions de repos qui peuvent être marquées avant et arrière . L'arbre 46 sert à relier l'accouplement 44 aux organes moteurs d'une voiture ou d'un aéroplane, comme par exem ple aux roues d'une automobile ou à l'hélice de propulsion d'un aéroplane.
Si le moteur fournit du travail et entraîne le mobile dans un sens déterminé, par exem ple en avant, le freinage de ce mouvement s'obtient en plaçant le levier 45 dans la posi tion arrière . L'arbre coudé du moteur est alors forcé de tourner en sens inverse; la vanne d'alimentation 42 se ferme de la ma nière décrite précédemment et la chaleur accumulée dans le réfrigérateur (lu moteur est transmise au réchauffeur par l'intermédiaire du fluide gazeux agissant dans la machine, de sorte que le cycle thermodynamique parcouru par ce fluide a lieu dans un sens inverse à celui correspondant à la fourniture de tra vail.
Bien qu'on ne communique pratique ment plus de chaleur au réchauffeur, étant donné que la conduite d'alimentation de com bustible est fermée, un long freinage peut cependant provoquer un échauffement impor tant du réchauffeur, par suite de la compres sion du fluide gazeux agissant dans la ma chine. Pour y obvier, le vilebrequin du mo teur porte, dans le carter, un ventilateur qui souffle de l'air froid le long du réchauffeur par l'intermédiaire de la canalisation 47 et de l'obturateur 48. On évite ainsi un échauf fement excessif des diverses parties du ré chauffeur, mais, en revanche, la chaleur dé veloppée pendant le freinage est perdue. L'ob turateur 48 peut servir à fermer la canalisa tion 47 du ventilateur pendant le cycle mo teur et à limiter, pendant le freinage, la quan tité d'air de réfrigération au strict nécessaire.
La fig. 3 montre un moteur à gaz chaud, qui est à même d'accumuler dans le réehauf- feur la chaleur développée pendant le frei nage, de sorte que cette chaleur n'est pas per, due. Le cylindre actif de ce moteur est indi qué par 140. Dans ce cylindre se déplacent le balayeur 14 et le piston 15, tous-deux action nés par la manivelle d'un arbre commun 18. Pour l'entraînement du piston, cet arbre com- porte une manivelle 19, accouplée à une tige 16.
Le balayeur 14 comporte une chemise cy lindrique dans laquelle peut se déplacer le piston 15. Cette chemise est reliée à l'aide d'une tige d'excentrique 17 à l'excentrique 20, porté par l'arbre. Cet. excentrique n'est pas fixé sur l'arbre, mais est porté par une douille lissière qui permet de régler de l'extérieur le \décalage anguilaire existant. entre l'excen trique et@ la manivelle 19. Ce réglage peut s'effectuer à l'aide du volant 21.
La douille à 0-lissière permet de, modifier le décalage entre les mouvements du piston et ceux chi balayeur < 'ans une zone comprise entre un avancement maximum du balayeur par rapport au piston et un retard de même grandeur. Ceci permet de modifier le sens dans lequel la machine fonctionne comme moteur, ainsi que la gran deur de la puissance fournie, de sorte que la puissance du moteur est variable d'une Tacon continue entre la pleine puissance marche avant et la pleine puissance marche arrière.
Le cylindre 10 du moteur à gaz chaud comporte, en outre, un réchauffeur 11, un ré cupérateur 12 et un réfrigérant 13 concentri ques à ce cylindre. Le réchauffeur 11 reçoit de la chaleur d'un brûleur dont la flamme fournit des gaz qui lèchent, par un ou plu sieurs canaux 23, la périphérie du réchauf feur. Le réfrigérant est entouré d'une chemise 24, parcourue par de l'eau ou de l'air. Lors- due le moteur fournit du travail, la chaleur du brûleur est transmise au gaz par l'inter médiaire du réchauffeur 11. La chaleur res tant dans le gaz après la détente et le pas sage du récupérateur 12 est absorbée dans le réfrigérant 13 par le moyen réfrigérant.
Le cycle thermique dans le moteur est décrit de la manière suivante: compression du gaz dans le cylindre 10, réchauffement dans le réchauf feur 11. Ce réchauffement est suivi de la course de détente du piston 15. Le gaz dé tendu traverse leu récupérateur 12 et y cède une grande partie de la chaleur qu'il ren ferme. Le gaz détendu est débarrassé, dans le réfrigérant 13, de la chaleur restante et pé nètre ensuite dans le cylindre 28, sur l'antre face du balayeur 14. Le mouvement ultérieur du piston et du balayeur entraîne la course de compression; le gaz afflue de nouveau vers la chambre 10 et absorbe de nouveau la cha leur accumulée dans le récupérateur 12; il se produit un nouvel échauffement, etc.
Si, tout en conservant le sens de rotation initial, il faut procéder à un freinage, on règle te dé calage du mouvement du piston par rapport à celui du balayeur, de manière que le cycle thermique soit décrit comme suit: réchauffe ment dans le réchauffeur 11, compression dans le cylindre 10, cession partielle de la chaleur dans le récupérateur 12, refroidisse ment dans le réfrigérant 13 et détente dans le cylindre 28. Dans ce cycle, le gaz chaud est donc comprimé, de sorte que la tempéra- turc, de ce gaz augmente et que ce gaz trans- met une partie de sa chaleur au réchauffeur 11 et aux parties du moteur qui communi quent avec ce réchauffeur. Pendant le frei nage, ces parties peuvent donc être sujettes à un notable accroissement de température.
Par unité de temps, cet accroissement de tempé rature dépend de la grandeur de la puissance freinée et de la capacité thermique des orga nes du moteur. On peut augmenter arti ficiellement cette capacité thermique en lo geant à l'intérieur de la tête du cylindre du moteur une substance 27, dont le point de fusion est immédiatement au-dessus de la tem pérature de régime normal du moteur. En régime normal, cette substance se trouve l'état solide dans la tête. Pendant le freinage accompagné (le l'accroissement de tempéra ture de ces organes, la chaleur libérée est uti lisée pour provoquer la fusion de cette subs tance.
De ce fait, la chaleur de fusion de cette substance augmente la capacité ther- miquie: des parties du moteur clu côté chaud. La chaleur ainsi accumulée peut être effieaec- ment utilisée; pendant le fonctionnement eii moteur de la machine, pour fournir de la cha leur, à l'aide du réchauffeur, au gaz eireu- lant dans le moteur.
De cette manière, la cha leur accumulée pendant lies freinage n'est pas perdue, mais participe à l'effet niotetir qui suit le freinage.
La chaleur conduite au réehauffeur peiï- dant le freinage est prélevée du réfrigérant 13, ainsi que des parties du moteur en ecii- tact avec ce réfrigérant. Ce prélèvement, de chaleur provoque une baisse de la tempéra ture de cet organe, de sorte que, dans la for mule du rendement théorique idéal,
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la température T. baisse, d'où il résulte que le rendement de la machine augmente à. la fin die la période de freinage et au début de la période motrice.
Il importe donc de laisser baisser cette température au moins aussi long temps que le permettent le fluide réfrigérant utilisé, l'air ou l'eau, et le lubrifiant utilisé dans le moteur. Lorsque le fluide réfrigérant utilisé est de l'air et que le lubrifiant est une huile de graissage encore fluide à basse température, on peut favoriser artificiellement cette baisse (le température en limitant pendant le frei nage la quantité de fluide réfrigérant en cir culation. A cet effet, on a prévu, dans la forme d'exécution représentée dans le dessin, dans la conduite d'alimentation en air de ré frigération, une vanne de réglage 25.
Cette vannes est commandée par un thermostat dont la partie 26, sensible à la température, est placée dans la conduite d'évacuation de l'air Oc réfrigération, immédiatement derrière le radiateur (lu moteur. Dès qu'il se produit un freinage, de la chaleur est prélevée du fluide réfrigérant circulant autour du radiateur 13, (le sorte que la température de l'élément sen sible 26 baisse. Le thermostat précité provo que la fermeture de la vanne de réglage 25, ce qui limite la quantité d'air de réfrigération par unité (le temps et permet une plus forte baisse de la température. Si la période de freinage est suivie d'une période motrice, la température du fluide réfrigérant augmente de nouveau, car, dans ce cas, le radiateur 13 absorbe de nouveau de la chaleur du gaz du moteur.
La vanne de réglage 25 s'ouvre, de sorte que le débit d'air de réfrigération aug mente.
Lorsque, au lieu de l'air de réfrigération, on utilise de l'eau de réfrigération, il est sou vent indésirable de laisser tomber la tempé rature à une valeur inférieure au point de congélation, car ceci pourrait provoquer une obturation des canalisations de réfrigération. Dans ce cas, il est, au contraire, avantageux d'augmenter le débit d'eau de réfrigération pendant le freinage pour éviter une trop forte baisse de la température. A cet effet, on peut utiliser le même, mécanisme de réglage, mais, dans ce cas, le thermostat doit être monté de manière telle que la vanne de ré glage 25 s'ouvre lorsque la température de l'élément sensible 26 baisse. Il va de soi que la vanne 25 doit être agencée de manière à empêcher une obturation complète de la con duite d'alimentation.
Il est possible d'éviter une trop forte baisse de température accompagnée du prélè vement d'une quantité importante de chaleur au réfrigérant 13 par l'utilisation d'une subs tance figeante 29, qui se trouve en bon con tact thermique avec le réfrigérant. Le point de solidification de cette substance doit être tout juste sous la température de régime de L'eau de réfrigération utilisée. Pendant le frei nage, aut début, la température baisse quel que peu, jusqu'au moment oit la substance 29 se condense out se solidifie. Le prélèvement ultérieur de la chaleur du réfrigérant s'effec tue par cession de la chaleur de condensation ou de solidification de cette substance sans qu'il en résulte une baisse de la. température.
Il n'est pas nécessaire que le dispositif pour la. mise en aeuvre de ce procédé soit équipé d'un moteur à gaz chaud qui puisse fournir du travail dans les deux sens de rota tion. On pourrait utiliser un moteur à -gaz chaud qui ne fournisse de la puissance que dans un seul sens de rotation, et que, grâce à un dispositif inverseur, l'installation puisse aussi fournir de la. puissance dans l'autre sens de rotation. De préférence, on utilisera cepen dant un moteur à gaz chaud qui, lui-même, petit fournir du travail dans les deux sens de rotation.
Dans les moteurs à gaz chaud à. un seul cylindre, prévus pour un seul cycle, ce résultat peut s'obtenir par une variation du décalage entre les mouvements du piston et ceux du balayeur. Les moteurs à gaz chaud, comportant phis d'un cycle et plus d'un cy lindre et dans lesquels la elrambre chaude et la.
chambre froide d'un cycle se trouvent clans des cylindres différents dont les mou- v enlents de piston sont. décalés. peuvent satis faire à cette condition, lorsque les communi- cations entre les chambres froides et les cham bres chaudes sont réversibles. De plus, la va riation du décalage entre le piston et le ba layeur d'un même cycle permet de régler le d,e;gré de freinage.
L'effet de freinage peut. être obtenu, comme il a déjà été mentionné, en appliquant la puissance à freiner à. une machine frigori fique fonctionnant suivant le principe du moteur à gaz chaud inversé. Cette forme d'exécution convient, par exemple, dans les trains munis d'une installation de condition nement d'air, par exemple pour refroidir l'air aspiré dans les armoires frigorifiques de voi tures de chemin de fer, dans des installations frigorifiques montées à proximité des organes moteurs de téléfériques, etc. Dans ce cas, une variation du décalage entre le piston et le ba layeur appartenant à un même cycle permet de régler le degré de freinage et partant la production de freid .
L'introduction d'une résistance de charge réglable dans le circuit du fluide gazeux entre la chambre chaude et la chambre froide d'un cycle permet de modifier le cycle thermo dynamique de manière qu'il absorbe du tra vail. Cette méthode est applicable lorsque la machine à piston à gaz chaud est constituée par un moteur à gaz chaud et aussi dans le cas où cette machine est une machine frigorifique.
Cette manière de freinage peut éventuelle ment être utilisée conjointement avec l'une des manières précédemment décrites, par exemple avec celle dans laquelle le freinage est assuré par le fait que le dispositif com portant un moteur à gaz chaud, ou le moteur à gaz chaud lui-même, est réglé pendant le freinage pour le sens de rotation imposé au dispositif ou au moteur à gaz chaud par la force vive.
Lorsqu'on introduit dans le circuit du fluide gazeux d'un moteur à gaz chaud dont. le cycle est parcouru dans un sens tel que le moteur fournisse du travail, une résistance de charge de valeur minimum déterminée, les positions de la manivelle auxquelles corres pondent la pression maximum et la pression minimum dans le cylindre sont décalées de manière que le gaz est partiellement comprimé à l'état chaud et partiellement détendu à l'état refroidi. Bien que le cycle soit ainsi par couru dans un sens tel que le moteur poutrait fournir du travail, par suite du décalage re latif des parties du cycle, le balayage dut cy cle requiert un certain travail.
Ce travail est partiellement transformé en chaleur par le déplacement du gaz à travers la résistance de charge; cette chaleur augmente essentielle ment la température du fluide en mouvement, et est partiellement utilisée à transmettre de la .chaleur de la chambre refroidie vers la chambre chauffée.
Si, dans une machine frigorifique fonc tionnant suivant le principe inverse du mo teur à gaz chaud, on introduit dans la cana lisation du fluide une résistance de charo,e dont le passage est réglable de manière appro priée, la présence de- cette résistance augmente la. quantité de force vive requise pour en traîner la machine frigorifique.
Il a déjà été mentionné qu'on peut chan ger le degré de freinage de la machine à pis ton à gaz chaud en modifiant 1e, décalage entre les mouvements du piston et du balayeur appartenant à un circuit. déterminé. Si une machine à piston à gaz chaud est réalisée de manière qu'elle comporte plusieurs cycles, et que les divers cycles soient décalés suivant une autre forme d'exécution, une telle ma chine à piston à gaz chaud permet d'obtenir un effet de freinage par une modification des communications entre les chambres chaudes et les chambres froides appartenant à des cy cles différents.