Procédé pour la production de force motrice et installation pour la réalisation de ce procédé. La présente invention concerne un pro cédé pour la production de force motrice et une installation pour la réalisation de ce procédé.
Suivant ce procédé, un fluide de travail est comprimé mécaniquement, la chaleur due n. cette. compression étant retenue, puis une portion de ce fluide est mélangée avec un combustible, tel qu'un hydrocarbure, pour occasionner la combustion de celui-ci et four nir l'énergie nécessaire pour la compression initiale du fluide, tandis qu'une autre portion du fluide est utilisée pour absorber l'énergie thermique des gaz de cdmbustion qui, autre ment serait perdue, et l'ensemble de cette portion de fluide et des gaz de combustion est utilisé ensuite pour rendre les énergies accumulées, acquises par la compression mé canique et l'absorption de chaleur, sous forme de travail utile.
Le fluide de travail peut comprendre deux portions distinctes avant d'être comprimé ou bien il peut au début constituer une masse unique qui sera divisée en deux portions après la compression. Le procédé peut être réalisé, par exemple, de la manière suivante: On se sert d'un moteur à combustion in terne, à interjection de combustible, d'un type quelconque, par exemple d'un moteur à deux temps du genre semi-Diesel où le combus tible est injecté par une pompe à l'état li quide dans une chambre de vaporisation au point mort ou près de celui-ci au commence ment de la course de travail, pour commander une pompe à air de faible pression, qui peut être incorporée dans le moteur ou être cou plée avec lui, soit par un accouplement direct, soit par une autre transmission.
Cette pompe comprime de l'air, consti tuant le fluide de travail, et le délivre direc tement à une petite chambre auxiliaire, con tiguë à la soupape d'admission du moteur à combustion interne, à une pression qui peut être environ de 1 kg par centimètre carré au-dessus de l'atmosphère. Le moteur à com bustion interne ne prend donc pas la charge d'air directement de l'atmosphère libre, mais de la petite chambre précitée. Si la pression dans cette petite chambre est maintenue. à 1 kg par centimètre carré, le poids d'air ou d'oxygène entrant dans le cylindre du mo teur à combustion interne à chaque course d'admission d'air sera environ de deux fois le poids de la charge d'air qui y entrerait s'il était aspiré directement dans l'atmos phère libre.
Comme, dans des conditions de fonctionnement dues à des demandes de force motrice variables, la pression de l'air donnée par la pompe à air à la petite chambre pré citée peut subir des fluctuations, la quantité de combustible délivrée par la pompe d'in jection de combustible devra dans toutes les circonstances, être proportionnelle au poids de l'air entrant dans le cylindre à chaque course. Le moteur à combustion interne dé veloppera par suite, à peu près deux fois autant de force motrice, pour des dimensions données de cylindre, toutes choses égales d'ailleurs, qu'un moteur aspirant sa charge à la pression atmosphérique.
Les cylindres du moteur à combustion interne et de la pompe à air sont dimension- nés de telle mariière que toute l'énergie dis ponible du moteur à combustion interne soit absorbée par la pompe à air. Dans ces con ditions, si la pompe à air fournit de l'air à une pression d'environ 1 kg par centimètre carré, il sera fourni plus d'air qu'il ne faut pour la combustion du combustible dans le cylindre du moteur.
Une portion de l'air cri excès peut être utilisée pour des buts de balayage dans le moteur et la portion res tante de l'air peut quitter la petite chambre auxiliaire près de la soupape d'admission du moteur par une soupape à air normalement maintenue ouverte et entrer dans une che mise entourant le cylindre moteur. En pas sant par cette chemise, cette portion d'air sera obligée de longer et de lécher les parois à nervures radiatrices du cylindre et s'y échauffera pour prendre un volume plus grand par dilatation à pression constante.
Cette portion d'air quitte la chemise par un pas sage situé au voisinage de l'ouverture d'échap pement, qui est découverte par le piston mo teur près de l'extrémité de sa course vers l'extérieur, et se mélange immédiatement avec les gaz d'échappement très chauds qui sont déchargés à une pression un peu plus élevée que celle régnant dans le conduit d'admission. Le résultat de cette réunion de l'air échauffé de la chemise avec les produits de combus tion bien plus chauds implique un échange d'énergie thermique, qui autrement serait perdue par l'échappement, entre les gaz d'échappement et l'air de la chemise, la tem pérature du mélange résultant étant bien in férieure à la température des gaz d'échappe ment, mais supérieure à la température de l'air quand il quitte la chemise.
Pour une seconde fois, par suite, l'air qui était primi tivement comprimé par l'effet de la pompe à air et fourni à la petite chambre près de la soupape d'admission du moteur, acquiert une nouvelle provision d'énergie sans concours ultérieur du combustible amené au moteur.
La réunion de l'air de la chemise avec les gaz d'échappement a lieu environ à la pression maintenue dans la petite chambre près de la soupape d'admission du moteur et donne lieu à une expansion ultérieure à pres sion constante de l'air fourni primitivement par la pompe à air.
Le mélange d'air réchauffé et de gaz re froidis entre ensuite dans un récipient conve nablement enveloppé pour empêcher des pertes de chaleur par radiation et passe de là par une 'soupape d'arrêt soit au cylindre ou aux cylindres d'un moteur ou de moteurs à air, qui peuvent être d'un type de machine à va peur ordinaire ou du type rotatif.
Les dessins ci-joints, donnés à titre d'ex emple, représentent quelques formes d'exécu tion d'une installation pour la réalisation du procédé.
La fig. 1 montre le schéma d'une forme d'exécution des plus simples. Celle-ci com porte un moteur à gaz ou à huile a- du type à quatre temps actionnant une pompe à air b au moyen d'une transmission à courroie c. La charge combustible est admise en d au cylindre du moteur a sous une pression à peu prés égale à la pression atmosphérique et le cylindre est pourvu d'une chemise d'eau, comme d'usage. L'air comprimé fourni par la pompe b passe par une conduite e dans un récipient intermédiaire (receiver) f et de là. aprÙs s'être mélangé en g, avec les gaz d*éeliappement venant du moteur a, à un moteur à air h..
Dans cette forme d'exécution deux por tions d'air, constituant le fluide de travail, sont comprimées séparément; l'une- pendant la course de compression du moteur à com bustion interne a et l'autre pendant la course de compression de la pompe à air b. La pre mière portion d'air est brûlée dans le cylin dre du moteur a, après avoir été mélangée au combustible, tel qu'un hydrocarbure, et fournit de l'énergie pour la compression ini tiale des deux portions d'air, et la seconde portion d'air est utilisée pour absorber l'éner gie thermique des gaz de combustion qui autrement s'échappe généralement avec ces gaz, l'ensemble de cette seconde portion d'air et des gaz de combustion étant utilisé pour rendre les énergies accumulées dans le mo teur à air h.
Bien entendu, il pourrait y avoir plusieurs cylindres soit dans la pompe, soit dans le moteur à combustion interne, ou dans les deux à la fois si cela est désirable.
La fig. 2 montre une forme d'exécution qui pourra être adaptée à bord d'un navire où l'économie d'énergie constitue un facteur important et où les besoins d'énergie peuvent varier dans de grandes limites, ou dans le quel l'énergie totale requise est tellement grande qu'elle rie peut pas être engendrée convenablement par un moteur à combustion interne unique.
Dans ce cas, on emploiera plusieurs moteurs à combustion interne a couplés directement avec autant de pompes à air b dont chacun fournit de l'air comprimé à une petite chambre auxiliaire o contiguë à la soupape d'admission p du moteur à com bustion interne a correspondant pour alimen ter, d'une part, ce moteur et, d'autre part, par une soupape m normalement maintenue ouverte, un récipient intermédiaire (receiver) f servant en même temps de chambre pour mélanger cette portion d'air avec les produits de combustion sortant par l'orifice n du cy lindre du moteur à combustion interne a.
De ce récipient intermédiaire f, le mélange chaud passe par une soupape d'arrêt i à une con duite principale commune j qui communique avec le moteur à air h servant de récepteur d'utilisation, par l'intermédiaire de la soupape d'arrêt k.
Suivant la demande de puissance imposée au moteur principal h, on peut faire marcher un seul, plusieurs ou tous les groupes de pompage d'air formés chacun par un moteur à combustion interne a, une pompe à air b et un récipient intermédiaire f.
Un nombre quelconque de tuyaux d'em branchement peut être branché sur la con duite principale j pour faire fonctionner des machines ou appareils auxiliaires, tels que l'appareil de gouvernement, un cabestan, un treuil de cargaison, une sirène etc.
La fig. 3 est le schéma d'une forme d'exé cution qui peut être adoptée dans les cas où il est désirable de monter l'ensemble de l'ins tallation sur une plaque de fondation et de la faire fonctionner comme une seule unité. Dans ce cas, les pistons du moteur à combustion interne cc, de la pompe b et du moteur à air h sont reliés à un seul arbre- vilebrequin l de façon à le commander ou à être commandé par lui.
Le récipient inter médiaire (receiver) J' montré dans le dessin comme étant disposé au-dessus des cylindres, est avantageusement placé derrière ceux-ci dans une position qu'occupe généralement le condenseur dans une installation motrice à vapeur.
La petite chambre auxiliaire o ali mentée par la pompe b d'air comprimé fait passer l'air en partie dans le moteur à com bustion interne rz et en partie, par la soupape in dans une chemise entourant le cylindre de celui-ci pour lui permettre de se charger de la chaleur de radiation et de se mélanger ensuite avec les produits de combustion sor- taiit par l'orifice<I>n</I> du cylindre du moteur<I>a,</I> ce mélange d'air et de gaz chauds se ren dant au récipient intermédiaire f pour y emmagasiner leurs énergies.
Du récipient f, le mélange chaud est admis au moteur à air h par l'intermédiaire de la soupape d'arrêt k En supposant que de l'air comprimé se trouve dans le récipient intermédiaire f, on comprend que le moteur à air<I>la</I> commence à marcher aussitôt que la soupape d'arrêt k est ouverte, et que le sens de rotation dé pendra de la position du levier de renverse ment de marche. Presque immédiatement après, le moteur à combustion interne a com mencera aussi à fonctionner, quel que soit le sens dans lequel. il est démarré par le moteur à air<I>h,</I> et fournira la charge de la pompe<I>b,</I> grâce à quoi la pression est maintenue dans le récipient intermédiaire f et le moteur à air la est libre de supporter la charge externe.
Quand la soupape d'arrêt k est de nou veau fermée, le moteur à combustion interne arrivera au repos pour deux raisons. Pre mièrement, le seul piston tendant alors à entretenir le mouvement serait celui dit mo teur à combustion interne a, mais, comme à peu près toute la puissance développée par le moteur cc est absorbée par la pompe b, il n'y aura plus de puissance disponible pour supporter la charge externe, qui arrêtera promptement le moteur. Secondement, aussi tôt que la soupape 7c commandant la sortie du récipient intermédiaire est fermée, la pres sion de ce dernier commencera à monter et la charge augmentée ainsi imposée à la pompe b produira par elle-même bientôt l'arrêt du moteur.
On comprend qu'après que le moteur s'est arrêté, le récipient intermédiaire demeure chargé et est prêt à faire démarrer de nou veau le moteur à air fi, lorsqu'on ouvre la soupape d'arrêt 7c.
Le moteur à air convertit en travail utile la totalité de l'énergie développée par le mo teur à combustion interne,<I>moins:</I> a) les pertes de friction dans le moteur à combustion in terne lui-même, s'élevant à environ 8 à 12 pour cent des chevaux indiqués, b) les pertes de friction, de radiation et autres de la pompe à air et de la tuyauterie, qui sont relative ment petites, grâce au faible degré de com pression et à la proximité de la pompe à air et du moteur à air, et se trouvent générale ment entre 10 et 25 pour cent, et c) les pertes de friction et de radiation du moteur à air qui seront de nouveau d'environ 10 ou 15 pour cent;
plus: 10 l'énergie recouvrée par l'air pendant son passage autour ou le long du cylindre ou par la chemise de celui- ci, et 21, l'énergie recouvrée par l'air lors de son mélange avec les gaz d'échappement.
De l'énergie totale développée par une explosion dans le cylindre du moteur à com bustion interne, environ 30 pour cent seront convertis en travail utile, environ 65 pour cent se retrouvent sous forme de chaleur dans la chemise du cylindre et dans les gaz d'échappement, et environ 5 pour cent per dus par friction et par radiation. Des 30 pour cent convertis en travail utile, qui représen tent la puissance disponible pour la com mande de la pompe à air, environ 12 pour cent sont perdus pour les raisons énumérées ci-dessus, de sorte qu'environ 18 pour cent seulement de l'énergie résultant de chaque explosion réapparaîtront comme puissance dis ponible sur l'arbre du moteur à air, si l'éner gie n'était pas récupérée de la chemise du cylindre et de l'échappement.
La quantité d'énergie récupérée dépend de la grandeur du moteur et de la disposition des différentes parties, mais en supposant qu'elle est seule ment de 25 pour cent de l'énergie usuelle ment en perte dans la chemise du cylindre et dans l'échappement (c'est-à-dire 25 pour cent de 65 pour cent), il y aura encore 16 pour cent de l'énergie résultant de chaque explosion qui deviendront disponibles dans le moteur à air. Le rendement thermique de toute l'installation comprenant le moteur à combustion interne, la pompe à air et le mo teur à air deviendra donc 34 pour cent.
Il y aura aussi un avantage important en com modité, attendu qu'un moteur à air du type des machines à vapeur à mouvement de va- et-vient peut marcher dans l'un ou l'autre sens à toute vitesse avec la même facilité.
On a parlé plus haut de la soupape Ira maintenue normalement ouverte, par laquelle l'air passe de la petite chambre auxiliaire o près de la soupape d'admission p pour se rendre au récipient intermédiaire (receiver) f. Cette soupape est représentée en in aux fig. 2 et 3 et elle est disposée pour se fermer peu avant que le piston du moteur à combustion interne découvre l'orifice d'échappement n dans sa course vers l'extérieur, faisant ainsi monter momentanément<B>là</B> pression dans la petite chambre o et obligeant l'air à passer de 1à. par le cylindre sous forme de courant de balayage intense au moment où la sou pape d'admission p s'ouvrei la soupape se referme ensuite de nouveau.