EP4522847A1 - Moteur à air comprimé à chambre active incluse et à distribution active à soupape d'échappement équilibrée permettant une désactivation de cylindre - Google Patents

Moteur à air comprimé à chambre active incluse et à distribution active à soupape d'échappement équilibrée permettant une désactivation de cylindre

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Publication number
EP4522847A1
EP4522847A1 EP23728267.8A EP23728267A EP4522847A1 EP 4522847 A1 EP4522847 A1 EP 4522847A1 EP 23728267 A EP23728267 A EP 23728267A EP 4522847 A1 EP4522847 A1 EP 4522847A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
piston
valve
exhaust
engine
Prior art date
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Application number
EP23728267.8A
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German (de)
English (en)
Other versions
EP4522847B1 (fr
Inventor
Cyril Negre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MDI Motor Development International SA
Original Assignee
MDI Motor Development International SA
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Filing date
Publication date
Application filed by MDI Motor Development International SA filed Critical MDI Motor Development International SA
Publication of EP4522847A1 publication Critical patent/EP4522847A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP4522847B1 publication Critical patent/EP4522847B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B17/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by use of uniflow principle
    • F01B17/02—Engines

Definitions

  • TITLE Compressed air engine with active chamber included and active distribution with balanced exhaust valve allowing cylinder deactivation
  • the invention relates to a motor operating in particular with compressed air, or any other gas, and using a chamber called an “active chamber”.
  • the invention relates to the exhaust distribution of such an engine and more particularly for an engine comprising an included active chamber, and in particular for a multimodal self-expanding engine with an included active chamber.
  • the expansion chamber consists of a variable volume equipped with means allowing work to be produced, it is paired and in contact by a permanent passage with the space included above the main engine piston which is equipped with a device for stopping the piston at its top dead center;
  • the expansion chamber being maintained substantially at its maximum volume, the compressed air contained therein then expands in the engine cylinder, thus pushing the engine piston back in its downward stroke, in turn providing work; - during the rise of the engine piston during the exhaust time, the variable volume of the expansion chamber is reduced to its smallest volume to restart a complete work cycle.
  • the expansion chamber of the engine according to this invention actively participates in the work.
  • the engine is thus called an “active chamber” engine.
  • Document W0-A1 -2008/028881 which presents a variant of the teachings of document W0-A1 -2005/049968, teaches the same cycle thermodynamic, but using a known and conventional movement transformation device of the connecting rod-crank type, the expansion chamber of the engine according to the invention actively participating in the work.
  • the motors according to the teachings of documents W0-A1 -2005/049968 and W0-A1 -2008/028881 are called “active chamber motors”.
  • an engine with an active chamber included comprising at least one piston mounted sliding in a cylinder and driving a crankshaft by means of a traditional connecting rod-crank device and operating according to a four-phase thermodynamic cycle comprising:
  • the active chamber is included/incorporated into the engine cylinder
  • the engine cylinder comprises at least one piston mounted sliding in at least one cylinder whose volume swept by the piston is divided into two distinct parts including a first part constituting the active chamber CA and a second part constituting the expansion chamber CD;
  • the cylinder is closed at its upper part by a cylinder head comprising at least one conduit and an inlet orifice, and at least one conduit and an exhaust orifice and which is arranged in such a way that, when the piston is at its top dead center, the residual volume between the piston and the cylinder head is, by construction, if not non-existent, reduced to only the minimum clearances allowing operation without contact between the piston and the cylinder head;
  • the exhaust port is then opened to ensure the exhaust phase during the rise of the piston over its entire stroke.
  • the volume of the included active chamber CA and the volume of the expansion chamber CD are sized such that at the nominal operating pressure of the motor, the pressure at the end of expansion at bottom dead center is close to ambient pressure, particularly atmospheric.
  • the volume of the active chamber is determined by the closure of the inlet.
  • the included active chamber engine described above comprises several successive cylinders of increasing displacements.
  • the motor is powered, like the teachings of documents W0-A1-2005/049968 and W0-A1-2008/028881, by compressed air, or by any other compressed gas, contained in a tank storage tank at high pressure, previously expanded, at a nominal working pressure, in a buffer capacity - called working capacity.
  • the filling of the active chamber included CA is carried out at a constant inlet pressure at each engine revolution, this inlet pressure being decreasing as the pressure in the storage tank gradually decreases. measurement of the progressive emptying of this tank;
  • the volume of the active chamber included CA is variable and is gradually increased as the pressure in the storage tank which determines said inlet pressure decreases;
  • the means for opening and closing the compressed air intake into the active chamber included CA not only make it possible to open the orifice and the intake duct substantially at the top dead center of the stroke of the piston, but they also make it possible to modify the duration and/or the angular sector of the admission, as well as the passage section of the opening;
  • the volume of the active chamber included CA is dimensioned for the maximum storage pressure, then it is gradually increased so that, as a function of the inlet pressure, the volume ratio between the active chamber included CA and the chamber expansion CD, the pressure at the end of expansion before opening the exhaust is close to atmospheric pressure.
  • the motor according to WO-A1-2012/045694 also functions as an expansion valve, the invention thus making it possible to propose a so-called “self-expanding” motor which, for powering the active AC chamber, does not require any expansion valve independent of any kind.
  • the multimodal self-expanding motor with active chamber included according to the teachings of document WO-A1-2012/045694 implements in particular, during its operation in single energy compressed air mode, a three-phase thermodynamic cycle comprising:
  • the volume, variable depending on the pressure of the high pressure storage tank, of the included active chamber determines the quantity of compressed air injected.
  • the difficulty lies in producing the means for opening and closing the compressed air intake into the included active chamber which not only allow the orifice and the intake duct to be opened substantially at the top dead center of the stroke of the piston, but which also make it possible to modify the duration and/or the angular sector of the admission, as well as the passage section of the opening.
  • a valve closes the intake and/or exhaust conduit and it comprises a valve head held by one or more springs resting on a circular valve seat formed around an orifice connecting the conduit the intake and/or exhaust with the combustion and/or expansion chamber contained in the cylinder.
  • the valve head opens the circuit by penetrating the chamber to be supplied driven by mechanical cam and pusher systems acting on the tail or stem of the valve which extends the valve head.
  • patent application W0-A2-2015/177076 concerning a compressed air motor with an active chamber included and with active distribution at admission.
  • the active intake distribution device uses the compressed air contained in the high pressure storage tank and/or in the intake circuit to move the intake valve in order to open then close the intake duct making it possible to supply the active chamber of the engine, the compressed air having been used for these actions then being reused in the engine to produce additional work.
  • this engine comprising:
  • At least one cylinder powered by a pressurized gas, preferably by compressed air, contained in a high pressure storage tank,
  • a cylinder head which closes at its upper part the volume of the cylinder, which is swept by the piston, and which comprises at least one intake conduit in which flows a flow of gas under filling pressure of the cylinder, an orifice d admission of gas under pressure above the piston, and at least one exhaust port and an exhaust duct, the cylinder head being arranged such that, when the piston is at its top dead center, the residual volume included between the piston and the cylinder head is, by construction, reduced to only the minimum clearances allowing operation without contact between the piston and the cylinder head,
  • the volume of the cylinder swept by the piston is divided into two distinct parts including a first part constituting an active chamber which is included in the cylinder and a second part constituting an expansion chamber,
  • the torque and engine speed are controlled by the opening and closing of the intake valve by allowing the intake valve to be opened, substantially at the top dead center of the piston stroke, and by allowing, by closing the valve, to modify the duration and/or the angular sector of the admission, as well as the passage section of the admission opening in order, depending on the pressure of the compressed gas contained in the tank of storage and pressure at the end of the expansion phase, to determine the quantity of gas under pressure admitted as well as the volume of the active chamber, in which:
  • the inlet valve is mounted movable in axial movement between a low closing position in which it is in tight support on its valve seat, and a high opening position
  • the inlet valve moves axially, in the direction opposite to that of the flow of the gas flow under filling pressure of the cylinder
  • the inlet valve in its closed position, the inlet valve is kept closed in an autoclaved manner on its valve seat by the pressure prevailing in the inlet conduit and applying to the inlet valve,
  • the engine includes means for controlling the opening of the intake valve, substantially at the top dead center of the stroke of the piston, to cause the intake valve to separate from its seat to allow the establishment of the intake pressure in the active chamber, the valve then traveling its full opening stroke under the action of the pressure differential forces exerted by the gas under pressure on the corresponding parts of the inlet valve,
  • the engine comprises a pneumatic cylinder for closing the intake valve which comprises a cylinder of cylinder and a closing piston which is linked in axial movement with the intake valve, and which is slidably mounted in the cylinder of cylinder inside which it sealingly delimits a cylinder control chamber, called the closing chamber,
  • the engine comprises at least one control channel for opening the intake valve which connects said closing chamber to a source of pressurized gas which is either the upper part of the active chamber of the cylinder, or the conduit intake, i.e. the pressurized gas tank,
  • the engine comprises an active distribution channel which connects said closing chamber to the upper part of the active chamber and a valve for blocking the circulation of gas in the active distribution channel, called active distribution valve, of which the opening is controlled to put the closing chamber in communication with the upper part of the active chamber, close the inlet valve and produce work which is added to the work of the gas charge under pressure previously admitted, via the intake conduit, in the active chamber.
  • active distribution valve a valve for blocking the circulation of gas in the active distribution channel, called active distribution valve, of which the opening is controlled to put the closing chamber in communication with the upper part of the active chamber, close the inlet valve and produce work which is added to the work of the gas charge under pressure previously admitted, via the intake conduit, in the active chamber.
  • the invention aims to propose a new design of such an active chamber compressed air motor aimed in particular at increasing its performance and efficiency, in particular by using a distribution system for controlling the opening and closing of the exhaust valve using a source of compressed gas - in particular compressed air - whose pressure value (called low pressure) is lower than that of the pressure available in the high pressure storage tank.
  • the “pneumatic” energy required to open and close the exhaust valve is for example supplied in the form of gas coming from the high pressure storage tank or the intake circuit which is expanded at low pressure. After being used to control the opening of the exhaust valve, this energy can then be reused by producing additional work.
  • the volumes of the closing and/or opening chambers are of reduced value, for example non-limiting to less than 10% of the engine displacement. The same goes for the conduits connecting the admission and the active chamber, the admission and the closing chamber, the closing chamber and the expansion chamber are calculated to allow sufficient flow to establish the pressures in the different active motor chambers distributor closure distributor expansion.
  • the invention proposes an active chamber engine operating according to a three-phase thermodynamic cycle comprising:
  • this engine comprising;
  • At least one cylinder powered by a pressurized gas, preferably by compressed air, contained in a high pressure storage tank,
  • a cylinder head which closes at its upper part the volume of the cylinder which is swept by the piston, and which comprises at least one intake conduit in which flows a flow of gas under filling pressure of the cylinder, an orifice inlet of the gas under pressure above the piston, and at least one exhaust port and an exhaust duct which is connected to the atmosphere in which a flow of gas under pressure drains the cylinder, the cylinder head being arranged in such a way that, when the piston is at its top dead center, the residual volume between the piston and the cylinder head is, by construction, reduced to only the minimum clearances allowing operation without contact between the piston and the cylinder head,
  • the volume of the cylinder swept by the piston is divided into two distinct parts including a first part constituting an active chamber which is included in the cylinder and a second part constituting an expansion chamber, -- under the continuous thrust of the pressurized gas admitted into the cylinder, at constant working pressure, the volume of the active chamber increases by producing work corresponding to the isobaric and isothermal transfer phase of the thermodynamic cycle of functioning,
  • the exhaust port is then opened to carry out the exhaust phase of the thermodynamic operating cycle during the rise of the piston over its entire stroke to its dead center high,
  • the torque and the engine speed are controlled by the opening and closing of the intake valve, allowing the intake valve to be opened, substantially at the top dead center of the stroke of the engine. piston, and by allowing, by closing the valve, to modify the duration and/or the angular sector of the admission, as well as the passage section of the admission opening in order, depending on the pressure of the compressed gas contained in the storage tank and the pressure at the end of the expansion phase, to determine the quantity of gas under pressure admitted as well as the volume of the active chamber, characterized in that EU:
  • the exhaust valve is mounted movable in axial movement between a low closing position in which it is in tight support on its exhaust valve seat, and a high opening position
  • the exhaust valve moves axially, in the direction corresponding to that of the flow of the pressurized gas flow out of the cylinder
  • the engine includes a pneumatic cylinder for controlling the opening of the exhaust valve, substantially at the bottom dead center of the piston stroke, to cause the exhaust valve to separate from its seat to carry out the exhaust phase of the thermodynamic cycle of operation during the rise of the piston over its entire stroke to its top dead center, the valve then traveling its complete opening stroke against the force exerted by the return spring,
  • the pneumatic cylinder comprises a cylinder cylinder and a piston which is connected to the exhaust valve and which delimits a control chamber which is connected to a source of low pressure gas,
  • the engine includes a channel which connects the source of low pressure gas to the control chamber, and a valve, a controlled valve for admitting low pressure gas into the control chamber,
  • the engine includes a control channel for closing the exhaust valve which connects the control chamber to the open air or to an energy recovery system, and a controlled valve for emptying the control chamber , and in that, to deactivate said at least one cylinder during one revolution of rotation of the crankshaft, from a passage of the piston at top dead center to the next passage of the piston at top dead center:
  • the inlet valve is kept closed to block the admission of the pressurized gas into the cylinder during said rotation;
  • said at least one cylinder is deactivated during several successive revolutions of rotation of the crankshaft;
  • the engine comprises at least two cylinders, each piston of which drives the same crankshaft by means of a traditional connecting rod-crank device, and of which each cylinder is produced according to the invention and in which, during said at least one revolution of one of said at least two cylinders during which it is deactivated, another of said at least two cylinders is an active cylinder operating according to said three-phase thermodynamic cycle;
  • the engine comprises at least three cylinders, each piston of which drives the same crankshaft by means of a traditional connecting rod-crank device, and of which each cylinder is made according to the invention, and, during said at least one revolution of one of said at least three cylinders during which it is deactivated, the at least two other cylinders are active cylinders operating according to said three-phase thermodynamic cycle;
  • the engine an energy recovery system, a channel which connects the energy recovery system in the upper part of the cylinder located above the piston, and a valve a controlled active drain valve of the energy recovery system in the upper part of the cylinder;
  • the pneumatic cylinder for controlling the opening of the exhaust valve is integrated into the cylinder head and its piston is integral with the exhaust valve stem;
  • the pneumatic cylinder for controlling the opening of the exhaust valve is arranged outside the cylinder head, and the output member of the cylinder is connected, directly or indirectly, to the stem of the exhaust valve by a movement transmission member;
  • the pneumatic cylinder for controlling the opening of the exhaust valve is a pneumatic muscle
  • said movement transmission member is a rocker which is pivotally mounted around an axis which is orthogonal to the sliding axis of the exhaust valve, one of whose ends is connected, directly or indirectly, to the stem of the exhaust valve, and the other opposite end is connected to the output member of the pneumatic control cylinder;
  • the stem of the exhaust valve is crossed axially by a pressure balancing channel which opens into a compensation chamber and into the upper part of the cylinder;
  • the low pressure gas source is a regulator whose inlet is connected to the high pressure storage tank or the inlet conduit, and the outlet of which is connected to the control chamber;
  • the regulator is a regulator with variable outlet pressure controlled to vary the value of the lift of the exhaust valve from its seat.
  • FIG.lA - Figure 1A schematically represents a first embodiment of an engine according to the invention, with an active chamber included in the cylinder, which is illustrated in axial section at its bottom dead center, and its device for compressed air supply;
  • FIG.1 B - Figure 1B is a view similar to that of Figure 1A in which the engine is illustrated, at its top dead center, the exhaust valve having been opened from bottom dead center;
  • FIG.2 - Figure 2 is a view similar to that of Figure 1A which illustrates a second embodiment of a motor according to the invention
  • FIG.3 the figure is a view similar to that of Figure 1A which illustrates a third embodiment of a motor according to the invention
  • FIG.4 - Figure 4 is a view similar to that of Figure 3 which illustrates an alternative embodiment of the third embodiment
  • FIG.5 - Figure 4 is a view similar to that of Figure 3 which illustrates another alternative embodiment of the third embodiment
  • FIG.6 is an axial sectional view of an exemplary embodiment of a modular cartridge integrating a valve capable of being integrated into an engine of the type illustrated schematically in Figures 3 and 4;
  • FIG.7 schematically represents the deactivation of a cylinder according to the invention
  • FIG.8 - Figure 8 schematically represents the deactivation according to the invention of one of the cylinders of an engine according to the invention with three cylinders.
  • the engine comprises one or more cylinders, of which only one 1 is shown which is supplied by a pressurized gas, preferably by compressed air, contained in a high pressure storage tank 12.
  • the engine comprises a piston 2 which is mounted sliding along its axis in the cylinder 1, and a crankshaft 5 which is driven by the piston 2 by means of a conventional device with connecting rod 3 and crank 4.
  • the engine has a cylinder head 6 which closes at its upper part the internal volume of the cylinder 1 which is swept by the piston 2.
  • the internal volume of cylinder 1 which is swept by piston 2 is divided along an imaginary line DD' (corresponding to a division plane orthogonal to the axis of cylinder 1) into two parts or chambers comprising:
  • the cylinder head 6 comprises at least one exhaust conduit 8 which is connected to the atmosphere and into which the flow of exhaust gas from the cylinder 1 flows.
  • the exhaust conduit 8 ends at its lower end with an orifice exhaust 7 arranged above piston 2.
  • the cylinder head 6 and the piston 2 are arranged in such a way that, when the piston 2 is at its top dead center, the residual volume between the piston 2 and the cylinder head 6 is, by construction, reduced to only the minimum clearances allowing operation without contact between the piston 2 and the cylinder head 6, that is to say without contact between the upper face 30 of the piston 2 and the portion opposite the lower face 32 of the cylinder head 6 which closes the cylinder 1 at its upper part.
  • the cylinder head 6 comprises an exhaust valve 9, which is in particular capable of cooperating in a sealed manner with an exhaust valve seat 20 formed in the cylinder head 6 and which delimits the exhaust port 7.
  • the cylinder head 6 also includes at least one intake valve, at least one intake port and at least one exhaust duct (not shown) and whose design and operation are similar to the exhaust system described here in detail. .
  • the torque supplied by the engine is controlled by controlling the opening and closing of the intake valve by opening it at the top dead center TDC of the stroke of piston 2 and closing it to modify the duration and/or or the angular sector of the inlet, as well as the passage section of the inlet opening, in particular as a function of the value of the pressure of the gas contained in the storage tank 12.
  • the inlet conduit (not shown) is connected directly to the high pressure gas tank 12 which thus directly supplies the active chamber CA, the latter thus being at the same pressure as that of the gas contained in the tank 12, by example of the order of 100 bars and it is greater than that prevailing in the active chamber CA and the expansion chamber CD, for example equal to 1.5 bar at the time of the cycle corresponding to the bottom dead center PMB of the piston, at the end expansion, just before the exhaust valve opens.
  • the exhaust valve 9 is guided sliding in a valve guide 206 and it is mounted movable in axial movement - along its main axis - between:
  • the engine comprises a pneumatic cylinder, or gas cylinder, V for controlling the opening of the exhaust valve 9 which, by way of non-limiting example and according to the design illustrated in Figures 1A to 1C, is arranged in the cylinder head 6.
  • the jack V comprises a jack cylinder and a closing piston P which is linked in axial movement with the upper rod 26 of the exhaust valve 9, and which is slidably mounted in the cylinder of the jack V inside which it sealingly delimits a lower chamber 100, called the opening chamber of the exhaust valve 9, or control chamber.
  • the jack cylinder comprises an upper chamber 99 in which is housed a spring 13 for elastic return of the exhaust valve 9 which is for example a helical spring which is mounted compressed in the upper chamber 99 and which exerts an elastic force oriented downwards on the upper face 27 of the piston P.
  • a spring 13 for elastic return of the exhaust valve 9 which is for example a helical spring which is mounted compressed in the upper chamber 99 and which exerts an elastic force oriented downwards on the upper face 27 of the piston P.
  • the jack cylinder is extended by an upper section 98 of smaller diameter in which the upper part of the rod 26 of the exhaust valve 9 - which extends above the piston P - is received in axial sliding.
  • the upper free end face 22 of the rod 26 of the exhaust valve 9 delimits in the section 98 an upper chamber 101 called the compensation chamber.
  • the compensation chamber 101 also called the pressure balancing chamber, is permanently connected to the upper part of the cylinder 1 located above the piston 2 by a central channel 102 opening at its two opposite ends which extends axially to through the exhaust valve 9 over its entire height.
  • a channel X1 connects the exhaust conduit 8 to the lower compensation chamber 100 of the cylinder V.
  • the engine includes a controlled so-called intake valve A which is arranged in channel X1, and the opening of which can be controlled to put the reservoir 12 in communication with the compensation chamber 100.
  • a regulator 10 is interposed in the channel 8 bars - to supply the compensation chamber 100.
  • the regulator 10 can be with constant outlet pressure or alternatively with adjustable outlet pressure. When the outlet pressure of the regulator is adjustable, controlling its value makes it possible to vary the value of the valve lift.
  • the lower compensation chamber 100 is here connected to the upper part of the cylinder 1 located above the piston 2 by two consecutive channels X2 and X3 with the interposition of an energy recovery system 11.
  • the motor includes a controlled valve B called a shutter drain valve B arranged in channel X2, the opening of which can be controlled to put the compensation chamber 100 in communication with the potential energy recovery system 11.
  • the engine includes a controlled valve C, called an active drain valve, which connects the upper part of the cylinder 1 to the potential energy recovery system 11 and whose opening can be controlled to activate the potential energy recovery system 11 with cylinder 1.
  • a controlled valve C called an active drain valve
  • the exhaust valve 9 is permanently returned to its closed position.
  • the exhaust valve 9 is elastically returned and is held closed on its valve seat 20 by a return spring 13.
  • the exhaust valve 9 is balanced against the pressure forces prevailing in the cylinder 1 which apply on the lower face 21 of the head 25 of the valve.
  • the engine includes a so-called low pressure distribution system which is connected to the exhaust conduit 8 by the regulator 10, the value of the outlet pressure of which is lower than the pressure of the high pressure gas contained in the tank 12.
  • the maximum value of the pressure prevailing in the distribution system, downstream of the regulator 10, is constant throughout the progressive emptying of the tank 12. This maximum value of the pressure prevailing in the distribution system corresponds to the minimum of obtaining a complete lifting stroke of the inlet valve, but it can vary below this maximum value in order to reduce the stroke of the inlet valve.
  • the control pressure then applies to the lower surface 23 of the piston P secured to the rod or tail of the exhaust valve 9.
  • the force thus applied to the exhaust valve 9 is greater than the return force downwards exerted by the spring 13 on the upper face 27 of the piston P, and it causes a separation or lifting of the valve 9 from the seat 20.
  • the exhaust valve 9 then travels the entirety of its opening stroke and it places the exhaust conduit 8 in communication with the atmosphere.
  • Controlling the opening of the drain valve B puts the control chamber 100 in communication with the potential energy recovery system 11.
  • the closing of the drain valve B is controlled, and the opening of the drain valve active drain C is in turn controlled to - via channel X3 - put the potential energy recovery system 11 in communication with the cylinder 1.
  • the design of the potential energy recovery system 11 can take several forms, depending on the type of energy that we want to recover, and for example:
  • a combination of one or more of these energy recovery systems can be considered.
  • valve C is an active distribution valve.
  • the intake valve and the intake conduit are not shown in Figures 1A to 6, but the assembly is of the same design and operates according to the same principle as that which governs the exhaust.
  • the exhaust valve control system can be connected to the same regulator 10 to the same potential energy recovery system 11 as those belonging to the exhaust valve control system 9.
  • the opening cycle of the valve d The exhaust is close to opening at the bottom dead center of the stroke of piston 2 and close to closing at the top dead center of the stroke of piston 2.
  • Valve E is a two-position, three-way type. In its state or position illustrated in the figure, the control chamber 100 is connected to the channel X2 upstream of the potential energy recovery system 11.
  • a change in position of the distributor slide causes the output of the regulator 10 to be put into communication with the control chamber 100 and the communication between the control chamber 100 and channel X2 to be interrupted.
  • the cylinder V is offset or offset laterally and it can in particular be arranged outside the cylinder head 6 in the form of an independent discrete component.
  • This design makes it easier to size the V cylinder and the control chamber.
  • a V cylinder for controlling the opening of the valve can be of the so-called "pneumatic muscle” type, the force/stroke behavior of which is quasi-linear and the stroke of which is directly adjustable by adjusting the value of its supply pressure.
  • a cylinder can be used with a low supply pressure equal to or less, for example, 8 bars.
  • This type of pneumatic muscle (Fluidic Muscle DMSP) is for example marketed under the registered trademark “FESTO”.
  • the rocker 14 is pivotally mounted around an axis 15 which is orthogonal to the sliding axis of the exhaust valve 9. One of its ends is connected directly or indirectly to the rod 26 of the valve, and its other opposite end is connected to the output member 17 of the offset cylinder V.
  • the two valves A and B of Figure 3 can be replaced by a valve or slide distributor E.
  • a cartridge 200 comprising a housing in two parts lower 202 and upper 204 which house an external valve guide 206 which guides in sliding the rod 26 of a valve 9 whose lower head 25 is illustrated in screw -vis a valve seat 20 integrated into the lower part 202 of the cartridge housing 200.
  • the inlet orifice 7 is formed in the lower part 202 of the cartridge housing and it is here cylindrical with a circular section
  • the upper section of the rod 25 is shaped like a hollow piston P in which an internal valve guide 207 is received in a sealed manner.
  • the compensation chamber 101 is thus arranged at the interface between the upper face 22 of the rod 25 - into which the balancing channel 102 opens - and the lower face portion facing screw 209 of internal guide 207.
  • the external guide 206 and the lower part 202 of the housing are crossed by passages 210 for venting to the open air.
  • valve 9 is illustrated in its maximum high position corresponding to the control of its complete opening.
  • This position is determined by a mechanical stop surface 212 carried by the upper part 204 of the housing against which the upper face 27 bears axially upwards.
  • the hollow piston P secured to the rod 25 is able to be driven in axial sliding in both directions - between its high position illustrated in Figure 6 and its low position in which the head 25 is in axial downward support against the seat 20 (See Figure 7) - by a rocker 14 which is pivotally mounted around a fixed axis 15 carried by the upper part 204 of the cartridge housing 200.
  • the free end 214 of the rocker 14 is able to be connected in an articulated manner to the output rod of an actuator or control cylinder which is for example a pneumatic muscle as illustrated in Figure 7.
  • This deactivation is obtained by keeping the intake valve closed during the entirety of this “off” turn and by keeping the exhaust valve open also during the entirety of this same “off” turn.
  • the inlet valve is kept closed to block the admission of the gas under pressure into the cylinder (1) during this revolution of rotation and, simultaneously during this same revolution of rotation, the exhaust valve is kept open in a so-called cylinder deactivation state.
  • the principle of implementing the deactivation of a cylinder according to the invention can be implemented in the context of an engine with at least two cylinders whose pistons drive the same crankshaft .
  • This operation allows you to use only certain cylinders (of your choice) and to make others “neutral” or “transparent”. This makes it possible to adjust the overall load of the engine while operating at full load (i.e. at best efficiency) on one or more non-deactivated cylinders. For example, on a three-cylinder engine, single-cylinder operation is one-third of maximum load, with only one "active" cylinder operating at full load.
  • Figure 8 illustrates an example of an engine according to the invention with three identical in-line cylinders.
  • Each intake valve is connected to the same reservoir 12 of pressurized air.
  • the first cylinder (on the right) is an active cylinder, while the second and the third cylinder are each in a “deactivated” operating state according to the principle described above with reference to the figure 7.
  • the deactivation of a cylinder can be carried out according to a number of consecutive revolutions of rotation of the crankshaft, for example for 1000 revolutions, then change to a “deactivated” cylinder.

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Abstract

L'invention propose un moteur à chambre active (CA) comportant un cylindre (1) alimenté par de l'air comprimé, un piston (2), une culasse (6) qui comporte un conduit d'échappement (8), un orifice d'échappement (7), une soupape d'échappement (9), dans lequel le volume du cylindre (1) est divisé en une chambre active (CA) incluse et une chambre de détente (CD) et le couple et le régime du moteur sont commandés par l'ouverture et la fermeture de la soupape d'échappement (9), caractérisé en ce que, dans le sens de son ouverture, la soupape d'échappement (9) se déplace dans le sens opposé à celui de l'écoulement du flux de gaz sous pression et, dans sa position de fermeture, elle est maintenue fermée sur un siège (20) par un ressort (13) de rappel, et en ce que les efforts axiaux s'exerçant sur la soupape d'échappement (9) qui résultent de la pression régnant dans le conduit d'échappement (8) et dans le cylindre (1) sont en permanence équilibrés.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Moteur à air comprimé à chambre active incluse et à distribution active à soupape d’échappement équilibrée permettant une désactivation de cylindre
Domaine technique de l'invention
L’invention concerne un moteur fonctionnant notamment avec de l’air comprimé, ou tout autre gaz, et utilisant une chambre dite « chambre active ».
L’invention concerne la distribution à l’échappement d’un tel moteur et plus particulièrement pour un moteur comportant une chambre active incluse, et notamment pour un moteur autodétendeur plurimodal à chambre active incluse.
Arrière-plan technique
On appelle distribution l’ensemble des moyens utilisés pour alimenter un tel moteur en gaz comprimé.
Les inventeurs et/ou le demandeur ont déposé de nombreux brevets concernant des motorisations ainsi que leurs installations, utilisant des gaz et plus particulièrement de l’air comprimé pour un fonctionnement totalement propre en site urbain et suburbain.
Ils ont notamment déposé une demande de brevet internationale WO- A1-03/036088 au contenu de laquelle on pourra se reporter, concernant un groupe moto-compresseur - moto-alternateur à injection d’air comprimé additionnel pouvant fonctionner en mode dit mono-énergie, et en mode dit pluri-énergies.
Dans ces types de moteur fonctionnant avec de l’air comprimé et comportant un réservoir de stockage d’air comprimé, il est nécessaire de détendre l’air comprimé stocké à très haute pression dans le réservoir - mais dont la pression diminue au fur et à mesure que le réservoir se vide - à une pression intermédiaire stable dite pression finale d’utilisation, dans une capacité tampon - dite capacité de travail - avant son utilisation dans le ou les cylindres moteurs du moteur.
Pour résoudre les problèmes de détendeur, les inventeurs et/ou le demandeur ont aussi déposé une demande de brevet W0-A1 -03/089764, au contenu de laquelle on pourra se reporter, concernant un détendeur dynamique à débit variable et une distribution pour moteurs alimentés avec injection d’air comprimé, comportant un réservoir d’air comprimé à haute pression et une capacité de travail.
Dans le fonctionnement de ces moteurs à « détente de charge », le remplissage de la chambre d’expansion représente toujours une détente sans travail qui est nuisible au rendement global de la machine.
Pour résoudre le problème indiqué ci-dessus, les inventeurs et/ou le demandeur ont alors déposé une demande de brevet W0-A1 -2005/049968 décrivant un moteur à air comprimé alimenté préférentiellement par de l’air comprimé, ou par tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression, préalablement détendu à une pression nominale de travail dans une capacité tampon dite capacité de travail.
Dans ce type de moteur selon les enseignements du document W0-A1 -2005/049968 :
- la chambre d’expansion est constituée d’un volume variable équipé de moyens permettant de produire un travail, elle est jumelée et en contact par un passage permanent avec l’espace compris au-dessus du piston moteur principal qui est équipé d’un dispositif d’arrêt du piston à son point mort haut ;
- durant l’arrêt de la course du piston moteur à son point mort haut, l’air ou le gaz sous pression est admis dans la chambre d'expansion lorsque celle-ci est à son plus petit volume et, sous la poussée, va augmenter son volume en produisant un travail ;
- la chambre d’expansion étant maintenue sensiblement à son volume maximum, l’air comprimé qui y est contenu se détend ensuite dans le cylindre moteur en repoussant ainsi le piston moteur dans sa course descendante en fournissant à son tour un travail ;- durant la remontée du piston moteur pendant le temps échappement, le volume variable de la chambre d’expansion est ramené à son plus petit volume pour recommencer un cycle de travail complet.
La chambre d’expansion du moteur selon cette invention participe activement au travail. Le moteur est ainsi dit moteur à « chambre active ».
Le document W0-A1 -2005/049968 enseigne notamment un cycle thermodynamique en quatre phases lors de son fonctionnement en mode mono-énergie à air comprimé caractérisé par :
- une détente isotherme sans travail ;
- un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme ;
- une détente polytropique avec travail ;
- un échappement à pression ambiante.
Le document W0-A1 -2008/028881 , qui présente une variante des enseignements du document W0-A1 -2005/049968, enseigne le même cycle thermodynamique, mais en utilisant un dispositif de transformation de mouvement connu et conventionnel du type bielle-manivelle, la chambre d’expansion du moteur selon l’invention participant activement au travail. Les moteurs selon les enseignements des documents W0-A1 -2005/049968 et W0-A1 -2008/028881 sont dits « moteurs à chambre active ».
Par la suite, les inventeurs et/ou le demandeur ont déposé une demande de brevet pour un moteur à air ou à gaz comprimé à chambre active incluse qui met en oeuvre le même cycle thermodynamique que les moteurs selon les enseignements de W0-A1 -2005/049968 et WO-A1-2008/028881 , ainsi qu’un dispositif bielle-manivelle conventionnel.
Selon les enseignements du document W0-A1 -2012/045693, les inventeurs ont proposé un moteur à chambre active incluse, comportant au moins un piston monté coulissant dans un cylindre et entraînant un vilebrequin au moyen d’un dispositif bielle-manivelle traditionnel et fonctionnant selon un cycle thermodynamique à quatre phases comportant :
- une détente isotherme sans travail ;
- un transfert - légère détente avec travail dit quasi-isotherme ;
- une détente polytropique avec travail ;
- un échappement à pression ambiante.
Alimenté préférentiellement par de l’air comprimé, ou tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression, à travers une capacité tampon dite capacité de travail qui est alimentée par de l’air comprimé, ou tout autre gaz comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression, qui est détendu à une pression moyenne dite pression de travail dans une capacité de travail préférentiellement à travers un dispositif de détendeur dynamique, dans lequel :
- la chambre active est incluse/incorporée dans le cylindre moteur ;
- le cylindre moteur comporte au moins un piston monté coulissant dans au moins un cylindre dont le volume balayé par le piston est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant la chambre active CA et une deuxième partie constituant la chambre de détente CD ;
- le cylindre est fermé à sa partie supérieure par une culasse comportant au moins un conduit et un orifice d’admission, et au moins un conduit et un orifice d’échappement et qui est aménagé de telle sorte que, lorsque le piston est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston et la culasse est, par construction, sinon inexistant, réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston et la culasse ;
- l’air comprimé ou le gaz sous pression est admis dans le cylindre au- dessus du piston lorsque le volume de la chambre active CA est à son plus petit volume et q ui, sous la poussée continue de l’air compri mé à pression constante de travail, va aug menter son volume en produ isant un travail représentant la phase de transfert quasi-isotherme ;
- l’ad mission de l’air com primé, ou d u gaz sous pression, dans le cylind re est obturée dès lors q ue le vol ume maximal de la cham bre active CA est atteint, et que la quantité d’air com primé, ou du gaz sous pression, comprise dans ladite chambre active se détend alors en repoussant le piston sur la deuxième partie de sa course qui détermine la cham bre de détente CD en produisant un travail assurant ainsi la phase de détente ;
- le piston ayant atteint son point mort bas, l’orifice d’échappement est alors ouvert pour assurer la phase d’échappement pendant la remontée du piston su r la totalité de sa course.
Le volume de la chambre active incluse CA et le volu me de la cham bre de détente CD sont di mension nés de tel le sorte qu’ à la pression nominale de fonctionnement du moteu r, la pression en fin de détente au point mort bas est proche de la pression ambiante, notamment atmosphérique. Le volume de la chambre active est déterminé par la fermeture de l’ ad mission . Avantageusement, et notam ment en fonctionnement mono-énergie à air comprimé, le moteur à chambre active incluse décrit ci-dessus com porte pl usieurs cylindres successifs de cylindrées croissantes.
Préférentiellement, le moteur est alimenté à l’ instar des enseignements des docu ments W0-A1 -2005/049968 et W0-A1 -2008/028881 , par de l’air comprimé, ou par tout autre gaz com primé, contenu dans u n réservoir de stockage à haute pression, préalablement détendu, à une pression nominale de travail, dans une capacité tampon - dite capacité de travai l.
Toutefois, même si il est possible dans le cas d’ un moteur plu ri étagé d’ al imenter le prem ier des cyl indres à des pressions élevées, il reste nécessaire de détendre l’air compri mé à très haute pression contenu dans le réservoi r de stockage à haute pression jusqu’à une pression nominale de travail et cette opération de détente, soit entraîne u ne perte de rendement par l’ util isation d’ un détendeur conventionnel soit, avec l’ uti lisation des enseig nements de W0-A1 -03/089764, ne coûte pas d’énerg ie, mais cette détente ne permet pas d’effectuer u n quelconq ue travail de détente entre la haute pression contenue dans le réservoir et la pression nominale de travail dans la capacité de travail à volume constant.
Les i nventeurs et/ou le demandeur ont alors déposé une nouvel le demande de brevet W0-A1 -2012/045694 au conten u de laquelle on pourra se reporter qu i revendiq ue u n moteur à air com primé à chambre active incluse dans lequel :
- le réservoir de stockage d’air comprimé à haute pression, ou de tout autre gaz sous pression, alimente directement l’admission du cylindre moteur ;
- le remplissage de la chambre active incluse CA s’effectue à une pression d’admission constante à chaque tour moteur, cette pression d’admission étant dégressive au fur à mesure de la diminution de la pression dans le réservoir de stockage au fur et à mesure de la vidange progressive de ce réservoir ;
- le volume de la chambre active incluse CA est variable et est augmenté progressivement au fur et à mesure de la diminution de la pression dans le réservoir de stockage qui détermine ladite pression d’admission ;
- les moyens d’ouverture et de fermeture de l’admission de l’air comprimé dans la chambre active incluse CA permettent non seulement d’ouvrir l’orifice et le conduit d’admission sensiblement au point mort haut de la course du piston, mais ils permettent aussi de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l’admission, ainsi que la section de passage de l’ouverture ;
- le volume de la chambre active incluse CA est dimensionné pour la pression maximum de stockage, puis il est progressivement augmenté de telle sorte que, en fonction de la pression d’admission, du rapport de volumes entre la chambre active incluse CA et la chambre de détente CD, la pression en fin de détente avant l’ouverture de l’échappement se trouve proche de la pression atmosphérique.
Le moteur selon WO-A1-2012/045694 fait aussi fonction de détendeur, l’invention permettant ainsi de proposer un moteur dit « autodétendeur » qui, pour l’alimentation de la chambre active CA, ne nécessite aucun détendeur indépendant d’un quelconque type.
Le moteur autodétendeur plurimodal à chambre active incluse selon les enseignements du document WO-A1-2012/045694 met notamment en oeuvre, lors de son fonctionnement en mode mono énergie air comprimé, un cycle thermodynamique à trois phases comportant :
- une phase de transfert isobare et isotherme
- une phase de détente polytropique avec travail
- une phase d’échappement à pression ambiante.
Dans le fonctionnement de ce moteur, le volume, variable en fonction de la pression du réservoir de stockage haute pression, de la chambre active incluse détermine la quantité d’air comprimé injecté. Plus la pression d’admission est élevée, plus le volume de la chambre active doit être petit. Afin d’obtenir un fonctionnement correct dans toutes les phases d’utilisation du moteur, il convient donc de l’alimenter avec une grande précision en fonction des divers paramètres notamment de vitesse ou régime de rotation, de la pression d’alimentation, de la charge déterminée par la position de l’accélérateur, de la température.
A cet effet, il est nécessaire de pouvoir faire varier :
- le moment de l’ouverture de l’admission en fonction du régime de rotation du moteur avant ou après le point mort haut pour tenir compte des inerties des gaz, mais aussi du rapport entre les temps d’établissement de la pression,
- le moment de fermeture de l’admission, en fonction du régime de rotation du moteur, mais aussi de la pression d’admission,
- la levée de la soupape d’admission en fonction de la charge souhaitée. La difficulté réside dans la réalisation des moyens d’ouverture et de fermeture de l’admission de l’air comprimé dans la chambre active incluse qui permettent non seulement d’ouvrir l’orifice et le conduit d’admission sensiblement au point mort haut de la course du piston, mais qui permettent aussi de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l’admission, ainsi que la section de passage de l’ouverture.
La distribution des moteurs de tous types est généralement assurée par des soupapes dont le fonctionnement est bien connu.
Ainsi, une soupape vient obturer le conduit d’admission et/ou d’échappement et elle comporte une tête de soupape maintenue par un ou des ressorts en appui sur un siège de soupape circulaire formé autour d’un orifice mettant en communication le conduit d’admission et/ou d’échappement avec la chambre de combustion et/ou d’expansion contenue dans le cylindre.
La tête de soupape ouvre le circuit en pénétrant la chambre à alimenter mue par des systèmes mécaniques de came et de poussoirs agissant sur la queue ou tige de la soupape qui prolonge la tête de la soupape.
Dans d’autres domaines de motorisation et pour d’autres raisons techniques concernant notamment la réduction de la pollution et dans le but de maitriser l’admission et l’échappement des moteurs conventionnels à combustion, un grand nombre de motoristes travaillent sur des systèmes permettant de contrôler le phasage et la durée des ouvertures de soupapes d’admission et d’échappement en cours de fonctionnement et ont déposé de nombreux brevets concernant ces applications. Des systèmes mécaniques complexes pilotés par des moteurs électriques pas à pas ont aussi été développés et commercialisés, notamment par BMW (Marque Déposée) avec le dispositif appelé « Vamos ».
Les inventeurs et/ou le demandeur ont aussi déposé la demande de brevet W0-A1 -03/089764 au contenu de laquelle on pourra se reporter concernant une distribution par soupape à commande progressive. De nombreux travaux ont été entrepris concernant des dispositifs électromécaniques, notamment commandés par des électroaimants facilement pilotables pour prendre en compte les divers paramètres de fonctionnement, mais les puissances électriques devant être mise en oeuvre pour permettre les accélérations et la vitesse de déplacement des soupapes demandent, compte tenu du poids et de l’inertie de ces dernières, des puissances considérables.
Pour résoudre les problèmes évoqués ci-dessus tout en apportant un surcroit de puissance, les inventeurs et/ou le demandeur ont déposé la demande brevet W0-A2-2015/177076 concernant un moteur à air comprimé à chambre active incluse et à distribution active à l’admission.
Le dispositif de distribution active à l’admission selon ce document appliqué aux moteurs à air comprimé utilise l’air comprimé contenu dans le réservoir de stockage haute pression et/ou dans le circuit d’admission pour mouvoir la soupape d’admission afin d’ouvrir puis de fermer le conduit d’admission permettant d’alimenter la chambre active du moteur, l’air comprimé ayant servi à ces actions étant ensuite réutilisé dans le moteur pour produire un complément de travail.
Il a ainsi été proposé un moteur à chambre active fonctionnant selon un cycle thermodynamique à trois phases comportant :
- une phase de transfert isobare et isotherme ;
- une phase de détente polytropique avec travail ;
- une phase d’échappement à pression ambiante ; ce moteur comportant :
- au moins un cylindre alimenté par un gaz sous pression, préférentiellement par de l’air comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression,
- au moins un piston qui est monté coulissant dans ce cylindre,
- un vilebrequin entraîné par le piston au moyen d’un dispositif bielle-manivelle traditionnel,
- une culasse qui ferme à sa partie supérieure le volume du cylindre, qui est balayé par le piston, et qui comporte au moins un conduit d’admission dans lequel s’écoule un flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre, un orifice d’admission du gaz sous pression au-dessus du piston, et au moins un orifice d’échappement et un conduit d’échappement, la culasse étant agencée de telle sorte que, lorsque le piston est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston et la culasse est, par construction, réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston et la culasse,
- au moins une soupape d’admission qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape formé dans la culasse et qui délimite l’orifice d’admission, moteur dans lequel :
-- le volume du cylindre balayé par le piston est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant une chambre active qui est incluse dans le cylindre et une deuxième partie constituant une chambre de détente,
-- sous la poussée continue du gaz sous pression admis dans le cylindre, à pression constante de travail, le volume de la chambre active augmente en produisant un travail représentant la phase de transfert isobare et isotherme, -- l’admission du gaz sous pression dans le cylindre est obturée dès que le volume maximal de la chambre active est atteint, la quantité de gaz sous pression comprise dans ladite chambre active se détendant alors en repoussant le piston sur la deuxième partie de sa course qui détermine la chambre de détente en produisant un travail assurant ainsi la phase de détente polytropique,
-- le piston ayant atteint son point mort bas, l’orifice d’échappement est alors ouvert pour assurer la phase d’échappement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course jusqu’à son point mort haut,
-- le couple et le régime du moteur sont commandés par l’ouverture et la fermeture de la soupape d’admission en permettant d’ouvrir la soupape d’admission, sensiblement au point mort haut de la course du piston, et en permettant, par la fermeture de la soupape, de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l’admission, ainsi que la section de passage de l’ouverture d’admission afin, en fonction de la pression du gaz comprimé contenu dans le réservoir de stockage et de la pression en fin de phase de détente, de déterminer la quantité de gaz sous pression admise ainsi que le volume de la chambre active, dans lequel :
- a) la soupape d’admission est montée mobile en déplacement axial entre une position basse de fermeture dans laquelle elle est en appui étanche sur son siège de soupape, et une position haute d’ouverture,
- b) dans le sens de son ouverture, la soupape d’admission se déplace axialement, dans le sens opposé à celui de l’écoulement du flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre,
- c) dans sa position de fermeture, la soupape d’admission est maintenue fermée de façon autoclave sur son siège de soupape par la pression régnant dans le conduit d’admission et s’appliquant à la soupape d’admission,
- d) le moteur comporte des moyens de commande de l’ouverture de la soupape d’admission, sensiblement au point mort haut de la course du piston, pour provoquer le décollement de la soupape d’admission de son siège pour permettre l’établissement de la pression d’admission dans la chambre active, la soupape parcourant alors sa course complète d’ouverture sous l’action des efforts différentiels de pression exercés par le gaz sous pression sur les parties correspondantes de la soupape d’admission,
- e) le moteur comporte un vérin pneumatique de fermeture de la soupape d’admission qui comporte un cylindre de vérin et un piston de fermeture qui est lié en déplacement axial avec la soupape d’admission, et qui est monté coulissant dans le cylindre de vérin à l’intérieur duquel il délimite de manière étanche une chambre de commande du vérin, dite chambre de fermeture,
- f) le moteur comporte au moins un canal de commande d’ouverture de la soupape d’admission qui relie ladite chambre de fermeture à une source de gaz sous pression qui est soit la partie supérieure de la chambre active du cylindre, soit le conduit d’admission, soit le réservoir de gaz sous pression,
- g) le moteur comporte un canal de distribution active qui relie ladite chambre de fermeture à la partie supérieure de la chambre active et une valve d’obturation de la circulation du gaz dans le canal de distribution active, dite valve de distribution active, dont l’ouverture est commandée pour mettre la chambre de fermeture en communication avec la partie supérieure de la chambre active, fermer la soupape d’admission et produire un travail qui s’ajoute au travail de la charge de gaz sous pression préalablement admise, via le conduit d’admission, dans la chambre active.
On peut se reporter au contenu de ce document pour connaître en détail les autres caractéristiques du moteur.
L’invention vise à proposer une nouvelle conception d’un tel moteur à air comprimé à chambre active visant notamment à en accroître les performances et le rendement, notamment en utilisant un système de distribution pour la commande de l’ouverture et de la fermeture de la soupape d’échappement faisant appel à une source de gaz comprimé - notamment d’air comprimé - dont la valeur de la pression (dite basse pression) est inférieure à celle de la pression disponible dans le réservoir de stockage à haute pression.
L’énergie « pneumatique » nécessaire à l’ouverture et la fermeture de la soupape d’échappement est par exemple fournie sous la forme de gaz provenant du réservoir de stockage à haute pression ou du circuit d’admission qui est détendue à basse pression. Après son utilisation pour commander l’ouverture de la soupape d’échappement, cette énergie peut ensuite être réutilisée en produisant un complément de travail.
Les volumes des chambres de fermeture et/ou d’ouverture sont de valeur réduite par exemple non limitatif inférieur à 10% de la cylindrée moteur. Il en va de même pour les conduits reliant l’admission et la chambre active, l’admission et la chambre de fermeture la chambre de fermeture et la chambre de détente sont calculés pour permettre un débit suffisant à l’établissement des pressions dans les différentes chambres actives motrices fermeture distributeur détente distributeur.
Résumé de l'invention
L’invention propose un moteur à chambre active fonctionnant selon un cycle thermodynamique à trois phases comportant :
- une phase de transfert isobare et isotherme ;
- une phase de détente polytropique avec travail ;
- une phase d'échappement à pression ambiante ; ce moteur comportant ;
- au moins un cylindre alimenté par un gaz sous pression, préférentiellement par de l'air comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression,
- au moins un piston qui est monté coulissant dans ce cylindre,
- un vilebrequin entraîné par le piston au moyen d'un dispositif bielle- manivelle traditionnel
- une culasse qui ferme à sa partie supérieure le volume du cylindre qui est balayé par le piston, et qui comporte au moins un conduit d'admission dans lequel s'écoule un flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre, un orifice d'admission du gaz sous pression au-dessus du piston, et au moins un orifice d'échappement et un conduit d'échappement qui est relié à l’atmosphère dans lequel s'écoule un flux de gaz sous pression de vidange du cylindre, la culasse étant agencée de telle sorte que, lorsque le piston est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston et la culasse est, par construction, réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston et la culasse,
- au moins une soupape d'admission qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape d’admission formé dans la culasse et qui délimite l'orifice d'admission,
- au moins une soupape d’échappement qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape d'échappement formé dans la culasse et qui délimite l’orifice d’échappement, moteur dans lequel :
-- le volume du cylindre balayé par le piston est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant une chambre active qui est incluse dans le cylindre et une deuxième partie constituant une chambre de détente, -- sous la poussée contin ue du gaz sous pression admis dans le cylind re, à pression constante de travail , le volume de la cham bre active aug mente en produisant un travail correspondant à la phase de transfert isobare et isotherme d u cycle thermodynam ique de fonction nement,
-- l'admission d u gaz sous pression dans le cyli ndre est obturée dès q ue le volume maximal de la chambre active est atteint, la quantité de gaz sous pression comprise dans ladite chambre active se détendant alors en repoussant le piston sur la deuxième partie de sa course qui détermi ne la chambre de détente en produ isant un travai l correspondant à la phase de détente polytropique d u cycle thermodynamique de fonctionnement,
-- le piston ayant atteint son point mort bas, l'orifice d'échappement est alors ouvert pour réaliser la phase d'échappement d u cycle thermodynamique de fonctionnement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa cou rse jusqu'à son point mort haut,
-- le cou ple et le régime du moteur sont com mandés par l'ouverture et la fermetu re de la soupape d'adm ission en permettant d'ouvrir la sou pape d'ad mission, sensiblement au point mort haut de la course d u piston, et en permettant, par la fermeture de la sou pape, de mod ifier la d urée et/ou le secteu r ang ulaire de l'admission , ainsi que la section de passage de l'ouverture d'adm ission afi n, en fonction de la pression d u gaz comprimé contenu dans le réservoir de stockage et de la pression en fin de la phase de détente, de déterminer la quantité de gaz sous pression admise ai nsi q ue le volume de la chambre active, caractérisé en ce q ue :
- a) la soupape d'échappement est montée mobi le en déplacement axial entre u ne position basse de fermeture dans laq uelle el le est en appui étanche sur son siège de soupape d’échappement, et u ne position haute d'ouverture,
- b) dans le sens de son ouverture, la soupape d’échappement se déplace axialement, dans le sens correspondant à celui de l’écoulement du flux de gaz sous pression hors d u cyl indre,
-c) dans sa position de fermeture, la sou pape d’ad mission est maintenue fermée sur son siège de soupape d’échappement par un ressort,
- d) les efforts axiaux s’exerçant sur la soupape d’ échappement qui résultent de la pression régnant dans le conduit d’échappement et dans le cyli ndre sont en permanence équi librés,
- e) le moteur com porte un véri n pneumatique de commande de l’ouverture de la sou pape d’échappement, sensiblement au point mort bas de la course du piston, pour provoq uer le décol lement de la soupape d’échappement de son siège pour réaliser la phase d'échappement du cycle thermodynamique de fonctionnement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course jusqu'à son point mort haut, la soupape parcourant alors sa course complète d'ouverture à l’encontre de l’effort exercé par le ressort de rappel,
- f) le vérin pneumatique comporte un cylindre de vérin et un piston qui est relié à la soupape d’échappement et qui délimite une chambre de pilotage qui est reliée à une source de gaz à basse pression,
- g) le moteur comporte un canal qui relie la source de gaz à basse pression à la chambre de pilotage, et une valve une valve commandée d’admission du gaz à basse pression dans la chambre de pilotage,
- i) le moteur comporte un canal de commande de fermeture de la soupape d’échappement qui relie la chambre de pilotage à l’air libre ou à un système de récupération d’énergie, et une valve commandée de vidange de la chambre de pilotage, et en ce que, pour désactiver ledit au moins un cylindre pendant un tour de rotation du vilebrequin, depuis un passage du piston au point mort haut jusqu’au passage suivant du piston au point mort haut :
- on maintient la soupape d’admission fermée pour obturer l'admission du gaz sous pression dans le cylindre pendant ledit tour de rotation ;
- et, simultanément pendant ledit tour de rotation, on maintient la soupape d’échappement ouverte dans un état dit de désactivation du cylindre.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention :
- pendant la première moitié dudit au moins un tour, de l’air à pression atmosphérique est aspiré à travers le conduit d’échappement qui, pendant la seconde moitié dudit au moins un tour, est ensuite vidangé hors du cylindre à travers le conduit d’échappement ;
- ledit au moins un cylindre est désactivé pendant plusieurs tours successifs de rotation du vilebrequin ;
- le moteur comporte au moins deux cylindres dont chaque piston entraîne le même vilebrequin au moyen d'un dispositif bielle-manivelle traditionnel, et dont chaque cylindre est réalisé selon l’invention et dans lequel, pendant ledit au moins un tour de l’un desdits au moins deux cylindres pendant lequel il est désactivé, un autre desdits au moins deux cylindres est un cylindre actif fonctionnant selon ledit cycle thermodynamique à trois phases ;
- le moteur comporte au moins trois cylindres dont chaque piston entraîne le même vilebrequin au moyen d'un dispositif bielle-manivelle traditionnel, et dont chaque cylindre est réalisé l’invention, et, pendant ledit au moins un tour de l’un desdits au moins trois cylindres pendant lequel il est désactivé, les au moins deux autres cylindres sont des cylindres actifs fonctionnant selon ledit cycle thermodynamique à trois phases ;
- le moteur un système de récupération d’énergie, un canal qui relie le système de récupération d’énergie à la partie supérieure du cylindre située au-dessus du piston, et une valve une valve commandée de vidange active du système de récupération d’énergie dans la partie supérieure du cylindre ;
- les valves d’admission, de vidange et de vidange active C) sont commandées selon le cycle suivant :
- i) ouverture de la valve d’admission pour mettre la chambre de pilotage en communication avec la source de gaz basse pression et provoquer l’ouverture de la soupape d’échappement aux alentours du point mort bas du piston pour mettre le conduit d’échappement en communication avec le volume du cylindre balayé par le piston,
- ii) fermeture de la valve d’admission et ouverture de la valve de vidange lorsque le piston atteint le point mort haut de sa course pour provoquer une baisse de la pression dans la chambre de pilotage et pour provoquer la fermeture de la soupape d’échappement
- iii) fermeture de la valve et, lorsque la pression dans le cylindre est inférieure ou égale à la pression dans le système de récupération d’énergie, ouverture de la valve de vidange active pour introduire dans le cylindre une charge qui s’ajoute à la charge préalablement admise dans la chambre active,
- iv) fermeture de la valve de vidange active lors de la remontée du piston ;
- le vérin pneumatique de commande de l’ouverture de la soupape d’échappement est intégré à la culasse et son piston est solidaire de la tige de la soupape d’échappement ;
- le vérin pneumatique de commande de l’ouverture de la soupape d’échappement est agencé à l’extérieur de la culasse, et l’organe de sortie du vérin est reliée, directement ou indirectement, à la tige de la soupape d’échappement par un organe de transmission de mouvement ;
- le vérin pneumatique de commande de l’ouverture de la soupape d’échappement est un muscle pneumatique, et ledit organe de transmission de mouvement est un basculeur qui est monté pivotant autour d’un axe qui est orthogonal à l’axe de coulissement de la soupape d’échappement dont l’une des extrémités est reliée, directement ou indirectement, à la tige de la soupape d’échappement, et l’autre extrémité opposée est reliée à l’organe de sortie du vérin pneumatique de commande ;
- la position de l’axe de pivotement du basculeur est réglable entre ses deux extrémités opposées ;
- la tige de la soupape d’échappement est traversée axialement par un canal d’équilibrage des pressions qui débouche dans une chambre de compensation et dans la partie supérieure du cylindre ;
- la source de gaz à basse pression est un détendeur dont l’entrée est reliée au réservoir de stockage à haute pression ou au conduit d’admission, et dont la sortie est reliée à la chambre de pilotage ;
- le détendeur est un détendeur à pression de sortie variable commandée pour faire varier la valeur de la levée de la soupape d’échappement de son siège.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig.lA] - la figure 1A représente schématiquement un premier mode de réalisation d’un moteur selon l’invention, à chambre active incluse dans le cylindre, qui est illustré en coupe axiale à son point mort bas, et son dispositif d’alimentation en air comprimé ;
[Fig.1 B] - la figure 1B est une vue analogue à celle de la figure 1A sur laquelle le moteur est illustré, à son point mort haut, la soupape d’échappement ayant été ouverte dès le point mort bas ;
[Fig.2] - la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1A qui illustre un deuxième mode de réalisation d’un moteur selon l’invention ;
[Fig.3] - la figure est une vue analogue à celle de la figure 1A qui illustre un troisième mode de réalisation d’un moteur selon l’invention ;
[Fig.4] - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 qui illustre une variante de réalisation du troisième mode de réalisation ;
[Fig.5] - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 qui illustre une autre variante de réalisation du troisième mode de réalisation ;
[Fig.6] - la figure 6 est une vue en coupe axiale d’un exemple de réalisation d’une cartouche modulaire intégrant une soupape apte à être intégrée dans un moteur du type illustré schématiquement aux figures 3 et 4 ;
[Fig.7] - la figure 7 représente schématiquement la désactivation d’un cylindre selon l’invention ;
[Fig.8] - la figure 8 représente schématiquement la désactivation selon l’invention de l’un des cylindres d’un moteur selon l’invention à trois cylindres.
Description détaillée de l'invention
Le moteur comporte un ou plusieurs cylindres, dont un seul 1 est représenté qui est alimenté par un gaz sous pression, préférentiellement par de l’air comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression 12. Le moteur comporte un piston 2 qui est monté coulissant selon son axe dans le cylindre 1, et un vilebrequin 5 qui est entrainé par le piston 2 au moyen d’un dispositif conventionnel à bielle 3 et manivelle 4.
Le moteur comporte une culasse 6 qui ferme à sa partie supérieure le volume interne du cylindre 1 qui est balayé par le piston 2.
Le volume interne du cylindre 1 qui est balayé par le piston 2 est divisé selon une ligne imaginaire DD’ (correspondant à un plan de division orthogonal à l’axe du cylindre 1) en deux parties ou chambres comprenant :
- une première partie supérieure constituant la chambre active CA, qui est ainsi incluse dans le cylindre 1 ;
- et une deuxième partie inférieure constituant la chambre de détente CD. La culasse 6 comporte au moins un conduit d’échappement 8 qui est relié à l’atmosphère et dans lequel s’écoule le flux de gaz de vidange du cylindre 1. Le conduit d’échappement 8 se termine à son extrémité inférieure par un orifice d’échappement 7 agencé au-dessus du piston 2.
La culasse 6 et le piston 2 sont agencés de telle sorte que, lorsque le piston 2 est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston 2 et la culasse 6 est, par construction, réduit au seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston 2 et la culasse 6, c’est-à-dire sans contact entre la face supérieure 30 du piston 2 et la portion en vis-à-vis de la face inférieure 32 de la culasse 6 qui ferme le cylindre 1 à sa partie supérieure.
Pour ouvrir ou fermer l’orifice d’échappement 7, la culasse 6 comporte une soupape d’échappement 9, qui est notamment apte à coopérer de manière étanche avec un siège de soupape d’échappement 20 formé dans la culasse 6 et qui délimite l’orifice d’échappement 7.
La culasse 6 comporte aussi au moins une soupape d’admission, au moins un orifice d’admission et au moins un conduit d’échappement (non représentés) et dont la conception et le fonctionnement sont similaires au système d’échappement décrit ici en détail.
Dans un tel moteur dans lequel le volume du cylindre 1 balayé par le piston 2 est divisé en une chambre dite chambre active CA qui est incluse dans le cylindre 1, et une deuxième partie constituant une chambre de détente CD :
- a) sous la poussée continue du gaz sous pression admis dans le cylindre 1, à pression constante de travail, le volume de la chambre active CA augmente en produisant un travail correspondant à la première phase de transfert quasi-isotherme du cycle thermodynamique de fonctionnement ;
- b) l’admission du gaz sous pression dans le cylindre 1 est obturée dès qu’un volume maximal choisi de la chambre active CA est atteint, la quantité de gaz sous pression comprise dans le chambre active CA se détendant alors en repoussant le piston 2 sur la deuxième partie de sa course descendante qui détermine le volume la chambre de détente CD en produisant un travail correspondant à la deuxième phase de détente du cycle thermodynamique de fonctionnement ;
- c) lorsque le piston 2 a atteint son point mort bas (PMB), l’orifice d’échappement est ouvert par commande de la soupape d’échappement 9 pour - pendant la remontée du piston 2 sur la totalité de sa course jusqu’à son point mort haut (PMH) - réaliser la troisième phase d’échappement du cycle thermodynamique de fonctionnement.
Le couple fourni par le moteur est commandé par la commande de l’ouverture et de la fermeture de la soupape d’admission en l’ouvrant au point mort haut PMH de la course du piston 2 et en la refermant pour modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l’admission, ainsi que la section de passage de l’ouverture d’admission, notamment en fonction de la valeur de la pression du gaz contenu dans le réservoir de stockage 12. On détermine ainsi la quantité de gaz sous pression qui est admise dans le cylindre, ainsi que le volume de la chambre active CA.
Le conduit d’admission (non représenté) est relié directement au réservoir de gaz à haute pression 12 qui alimente ainsi directement la chambre active CA, cette dernière et se trouvant ainsi à la même pression que celle du gaz contenu dans la réservoir 12, par exemple de l’ordre de 100 bars et elle est supérieure à celle régnant dans la chambre active CA et la chambre de détente CD, par exemple égale à 1,5 bar au moment du cycle correspondant au point mort bas PMB du piston, en fin de détente, juste avant l’ouverture de la soupape d’échappement.
La soupape d’échappement 9 est guidée en coulissement dans un guide de soupape 206 et elle est montée mobile en déplacement axial - selon son axe principal - entre :
- une position basse de fermeture ou d’obturation (en considérant l’orientation générale verticale des figures et sans référence à la gravité terrestre) qui est représentée à la figure 1A et dans laquelle la partie inférieure ou tête 25 de la soupape est en appui étanche sur le siège de soupape d’échappement 20 ; et
- une position haute d’ouverture représentée à la figure 1B.
Dans le sens de son ouverture, la soupape d’échappement 9 se déplace axialement - vers le haut, dans le sens correspondant à celui de l’écoulement du flux F de gaz de vidange du cylindre. Ainsi, la soupape d’échappement s’ouvre dans le sens du flux d’air de vidange du cylindre du moteur. Le moteur comporte un vérin pneumatique, ou vérin à gaz, V de commande de l’ouverture de la soupape d’échappement 9 qui, à titre d’exemple non limitatif et selon la conception illustrée aux figures 1A à 1 C, est aménagé dans la culasse 6.
Le vérin V comporte un cylindre de vérin et un piston P de fermeture qui est lié en déplacement axial avec la tige supérieure 26 de la soupape d’échappement 9, et qui est monté coulissant dans le cylindre du vérin V à l’intérieur duquel il délimite de manière étanche une chambre inférieure 100, appelée chambre d’ouverture de la soupape d’échappement 9, ou chambre de pilotage.
Au-dessus du piston P, le cylindre de vérin comporte une chambre supérieure 99 dans laquelle est logé un ressort 13 de rappel élastique de la soupape d’échappement 9 qui est par exemple un ressort hélicoïdal qui est monté comprimé dans la chambre supérieure 99 et qui exerce un effort élastique orienté vers le bas sur la face supérieure 27 du piston P. Au-dessus de la chambre supérieure 99 logeant le ressort de rappel 13, le cylindre de vérin se prolonge par un tronçon supérieur 98 de plus petit diamètre dans lequel la partie supérieure de la tige 26 de la soupape d’échappement 9 - qui s’étend au-dessus du piston P - est reçue en coulissement axial.
La face supérieure d’extrémité libre 22 de la tige 26 de la soupape d’échappement 9 délimite dans le tronçon 98 une chambre supérieure 101 dite chambre de compensation.
La chambre de compensation 101, aussi appelée chambre d’équilibrage des pressions, est reliée en permanence à la partie supérieure du cylindre 1 située au-dessus du piston 2 par un canal central 102 débouchant à ses deux extrémités opposées qui s’étend axialement à travers la soupape d’échappement 9 sur toute sa hauteur.
Un canal X1 relie le conduit d’échappement 8 à la chambre inférieure de compensation 100 du vérin V.
Le moteur comporte une valve A commandée dite d’admission qui est agencée dans le canal X1, et dont l’ouverture peut être commandée pour mettre le réservoir 12 en communication avec la chambre de compensation 100.
Un détendeur 10 est interposé dans le canal X1, ici de manière préférentielle en amont de la valve A, pour réduire la pression à la sortie du détendeur 10 à une valeur dite de basse pression de l’ordre de quelques bars - par exemple égale à 8 bars - pour alimenter la chambre de compensation 100. Le détendeur 10 peut être à pression de sortie constante ou en variante à pression de sortie réglable. Lorsque la pression de sortie du détendeur est réglable, la commande de sa valeur permet de faire varier la valeur de la levée de la soupape.
La chambre inférieure de compensation 100 est ici reliée à la partie supérieure du cylindre 1 située au-dessus du piston 2 par deux canaux consécutifs X2 et X3 avec interposition d’un système de récupération d’énergie 11.
Le moteur comporte une valve B commandée dite valve de vidange B d’obturation agencée dans le canal X2, dont l’ouverture peut être commandée pour mettre la chambre de compensation 100 en communication avec le système de récupération d’énergie potentielle 11.
Le moteur comporte une valve C commandée, dite valve de vidange active, qui relie la partie supérieure du cylindre 1 au système de récupération d’énergie potentielle 11 et dont l’ouverture peut être commandée pour mettre le système de récupération d’énergie potentielle 11 avec le cylindre 1.
La soupape d’échappement 9 est rappelée en permanence vers sa position de fermeture. A titre d’exemple, la soupape d’échappement 9 est rappelée élastiquement et est maintenue fermée sur son siège de soupape 20 par un ressort de rappel 13.
De par sa conception selon l’invention, la soupape d’échappement 9 est équilibrée face aux efforts de pression régnant dans le cylindre 1 qui s’appliquent sur la face inférieure 21 de la tête 25 de la soupape.
Ceci est obtenu grâce à la présence de la chambre supérieure de compensation 101 qui est reliée à la partie supérieure du cylindre 1 par le canal 102.
On note ainsi que la valeur de la pression régnant dans la chambre de compensation 101 est toujours égale à la valeur de la pression dans le cylindre 1.
L’aire surfacique de la face supérieure d’extrémité libre 22 de la tige 26 de la soupape d’échappement 9 qui est équivalente à l’aire surfacique la face inférieure 21 de la tête 25 de la soupape d’échappement 9 qui est soumise à la même valeur de pression, en permettant ainsi d’annuler les effets sur la soupape résultant de la pression.
Le moteur comporte un système de distribution dit à basse pression qui est relié au conduit d’échappement 8 par le détendeur 10 dont la valeur de la pression en sortie est inférieure à la pression du gaz à haute pression contenu dans le réservoir 12.
La valeur maximale de la pression régnant dans le système de distribution, en aval du détendeur 10, est constante tout au long de la vidange progressive du réservoir 12. Cette valeur maximale de la pression régnant dans le système de distribution correspond au minimum à l’obtention d’une course complète de levée de la soupape d’admission, mais elle peut varier en-dessous cette valeur maximale afin de diminuer la course de la soupape d’admission.
Lorsque le piston 2 approche du point mort bas PMB de sa course, la valve dite d’admission A ouvre le canal X1 pour mettre la chambre de pilotage 100 en pression en la reliant à la sortie du détendeur 10.
La pression de pilotage s’applique alors sur la surface inférieure 23 du piston P solidaire de la tige ou queue de la soupape d’échappement 9. L’effort ainsi appliqué à la soupape d’échappement 9 est supérieur à l’effort de rappel vers le bas exercé par le ressort 13 sur la face supérieure 27 du piston P, et il provoque un décollement ou soulèvement de la soupape 9 du siège 20.
La soupape d’échappement 9 parcourt alors la totalité de sa course d’ouverture et elle met le conduit d’échappement 8 en communication avec l’atmosphère.
Seul l’effort exercé d’une part par le ressort 13 et, d’autre part, l’effort de pression exercé sur la face 23 agissent sur la soupape d’échappement 9. Lorsque le piston 2 atteint le point mort haut PMH de sa course axiale, la valve d’admission A est refermée et la valve de vidange B est ouverte pour provoquer la détente du gaz à une valeur de pression inférieure à la pression de pilotage régnant dans la chambre de pilotage 100.
La baisse de la valeur de la pression du gaz s’appliquant sur la face inférieure 23 du piston P et la valeur de l’effort de rappel exercé en permanence par le ressort de rappel 13 provoquent alors la descente de la soupape d’échappement 9 jusqu’à ce que sa tête 25 soit en appui étanche sur le siège de soupape 20.
La commande de l’ouverture de la valve de vidange B met la chambre de pilotage 100 en communication avec le système 11 de récupération d’énergie potentielle.
La soupape d’échappement 9 étant fermée, le gaz présent dans le cylindre 1 se comprime au fur et à mesure de la montée du piston 2 et sa valeur augmente.
Lorsque la valeur de la pression dans le cylindre 1 est inférieure ou égale à la valeur de la pression dans le système 11 de récupération d’énergie potentielle, la fermeture de la valve de vidange B est commandée, et l’ouverture de la valve de vidange active C est commandée à son tour pour - par le canal X3 - mettre le système 11 de récupération d’énergie potentielle en communication avec le cylindre 1. La conception du système 11 de récupération d’énergie potentielle peut prendre plusieurs formes, en fonction du type d’énergie que l’on veut récupérer, et par exemple :
- la forme d’un système de récupération d’énergie potentielle dont le but est de réinjecter dans le cylindre 1 le gaz sous pression utilisé dans le système de distribution active afin de produire un travail mécanique supplémentaire au moyen du piston 2 - selon le mode de réalisation illustré aux figures ; ou
- en variante la forme d’un système de récupération d’énergie potentielle et cinétique au travers d’un système à turbine (non représenté) ; ou
- en variante la forme d’un système de récupération d’énergie thermique (non représenté).
Un cumul d’un ou plusieurs de ces systèmes de récupération d’énergie peut être envisagé.
Dans le premier cas illustré aux figures, le volume de gaz récupéré et accumulé dans une capacité 11 est injecté dans le cylindre 1 en se détendant dans la chambre de détente CD du moteur en produisant un travail qui vient s’ajouter au travail de détente de la charge admise dans la chambre active CA. Ainsi, au sens de l’invention, la valve C est une valve de distribution active.
On comprend dès lors le fonctionnement de la distribution dite active selon l’invention dans lequel, avantageusement, l’énergie nécessaire à la commande de l’ouverture et de la fermeture de la soupape d’échappement 9 est réutilisée en totalité ou en partie, sous différentes formes possibles.
La soupape d’admission et le conduit d’admission ne sont pas représentés aux figures 1A à 6, mais l’ensemble est de même conception et fonctionne selon le même principe que celui qui gouverne l’échappement.
Le système de commande de la soupape d’échappement peut être connecté au même détendeur 10 au même système de récupération d’énergie potentielle 11 que ceux appartenant au système de commande la soupape d’échappement 9. Le cycle d’ouverture de la soupape d’échappement est proche d’une ouverture au point mort bas de la course du piston 2 et proche d’une fermeture au point mort haut de la course du piston 2.
Description du deuxième mode de réalisation
La description qui suit est effectuée par comparaison avec le premier mode de réalisation préalablement décrit en référence aux figures 1A et 1B.
Dans la conception selon ce deuxième mode de réalisation illustré à la figure 2, on remplace les deux valves A et B illustrées aux figures 1A et 1B par une valve E à tiroir communément appelée distributeur.
Le distributeur E est du type à deux positions et à trois voies. Dans son état ou position illustré à la figure, la chambre de pilotage 100 est reliée au canal X2 en amont du système de récupération d’énergie potentielle 11.
Un changement de position du tiroir du distributeur provoque la mise en communication de la sortie du détendeur 10 avec la chambre de pilotage 100 et l’interruption de la communication entre la chambre de pilotage 100 et le canal X2.
La conception de la soupape d’échappement qui vient d’être décrite et de ses moyens de commande et de pilotage s’appliquent de manière identique à la soupape d’admission (Cf. FR3097254B3).
Description du troisième mode de réalisation
La description qui suit est effectuée par comparaison avec le premier mode de réalisation préalablement décrit en référence aux figures 1A et 1B.
Dans la conception selon ce troisième mode de réalisation illustré à la figure 3, on met en avant la possibilité de désaxer la chambre de pilotage par rapport à la soupape 9 par l’intermédiaire d’un basculeur 14 reliant mécaniquement la soupape d’échappement 9 à un vérin pneumatique V comportant la chambre de pilotage 100.
Le vérin V est désaxé ou décalé latéralement et il peut notamment être agencé à l’extérieur de la culasse 6 sous la forme d’un composant discret indépendant.
Cette conception permet de dimensionner plus aisément le vérin V et la chambre de pilotage.
Elle facilite aussi la fabrication et la maintenance, et elle permet de limiter les inconvénients dus aux fuites éventuellement présentes au niveau du piston P du vérin V illustré selon le premier mode de réalisation.
A titre d’exemple non limitatif, un vérin V de commande de l’ouverture de la soupape peut être du type dit « Muscle pneumatique » dont notamment le comportement force/course est quasi linéaire et dont la course est directement réglable par réglage de la valeur de sa pression d’alimentation. Un tel vérin peut être utilisé avec une pression basse d’alimentation égale ou inférieure par exemple à 8 bars.
Ce type muscle pneumatique (Fluidic Muscle DMSP) est par exemple commercialisé sous la marque déposée « FESTO ».
Le basculeur 14 est monté pivotant autour d’un axe 15 qui est orthogonal à l’axe de coulissement de la soupape d’échappement 9. L’une de ses extrémités est reliée directement ou indirectement à la tige 26 de la soupape, et son autre extrémité opposée est reliée à l’organe de sortie 17 du vérin décalé V. Selon une première variante et comme illustré à la figure 4, on peut remplacer les deux valves A et B de la figure 3 par une valve ou distributeur à tiroir E.
Selon une autre variante et comme illustré à la figure 5, et par comparaison avec le mode de réalisation préalablement décrit en référence à la figure 3, on a représenté la possibilité de régler la position de l’axe 15 de pivotement du basculeur 14 et ainsi de faire varier la course de la soupape 9 en fonction des différentes phases de fonctionnement du moteur.
Description d’une cartouche intégrant une soupape
On a représenté à la figure 6 une cartouche 200 comportant un boîtier en deux parties inférieure 202 et supérieure 204 qui logent un guide externe de soupape 206 qui guide en coulissement la tige 26 d’une soupape 9 dont la tête inférieure 25 est illustrée en vis-à-vis d’un siège de soupape 20 intégré à la partie inférieure 202 du boîtier de la cartouche 200.
L’orifice d’admission 7 est formé dans la partie inférieure 202 du boîtier de la cartouche et il est ici cylindrique de section circulaire
Le tronçon supérieur de la tige 25 est conformé en un piston P creux dans lequel est reçu de manière étanche un guide interne de soupape 207.
Au sens de l’invention, la chambre de compensation 101 est ainsi agencée à l’interface entre la face supérieure 22 de la tige 25 - dans laquelle débouche le canal d’équilibrage 102 - et la portion de face inférieure en vis-à-vis 209 du guide interne 207.
Le guide externe 206 et la partie inférieure 202 du boîtier sont traversés par des passages 210 de mise à l’air libre.
A la figure 6, la soupape 9 est illustrée dans sa position haute maximale correspondant à la commande de son ouverture complète.
Cette position est déterminée par une surface de butée mécanique 212 portée par la partie supérieure 204 du boîtier contre laquelle la face supérieure 27 est en appui axial vers le haut.
Le piston creux P solidaire de la tige 25 est apte à être entraîné en coulissement axial dans les deux sens - entre sa position haute illustrée à la figure 6 et sa position basse dans laquelle la tête 25 est en appui axial vers le bas contre le siège 20 (Voir figure 7) - par un basculeur 14 qui est monté pivotant autour d’un axe fixe 15 porté par la partie supérieure 204 du boîtier de la cartouche 200.
L’extrémité libre 214 du basculeur 14 est apte à être reliée de manière articulée à la tige de sortie d’un actionneur ou vérin de commande qui est par exemple un muscle pneumatique tel qu’illustré à la figure 7.
Description du fonctionnement selon l’invention en mode de désactivation d’un ou plusieurs cylindres Conformément à l’invention, la conception de la commande des soupes, et notamment de la soupape d’échappement permet de désactiver - ou de « neutraliser » le cylindre pendant un tour complet de rotation du vilebrequin (Soit selon 360 degrés d’angle de rotation) depuis un premier passage du piston à son point mort haut PMH jusqu’à un second passage suivant du piston à son point mort haut PMH.
Cette désactivation est obtenue en maintenant la soupape d’admission fermée durant la totalité de ce tour « désactivé » et en maintenant la soupape d’échappement ouverte également durant la totalité de ce même tour « désactivé ».
Ainsi, on maintient la soupape d’admission fermée pour obturer l'admission du gaz sous pression dans le cylindre (1) pendant ce tour de rotation et, simultanément pendant ce même tour de rotation, on maintient la soupape d’échappement ouverte dans un état dit de désactivation du cylindre.
Ce principe de désactivation est schématisé à la figure 7 sur laquelle, la soupape d’admission A1 étant fermée, l’air sous pression en provenance du réservoir 12, n’est pas admis dans le cylindre.
Lors de la descente du piston depuis son point mort haut PMH vers son point mort bas PMD (Correspondant à la première moitié du tour considéré du vilebrequin de 0 à 180 degré d’angle), la soupape d’échappement E1 étant maintenue ouverte, l’air à pression ambiante atmosphérique est aspiré à travers le conduit d’échappement.
Lors de la remontée du piston depuis son point mort bas PMB vers son point mort haut PMH (Correspondant à la seconde moitié du tour considéré du vilebrequin de 180 à 360 d’angle), l’air à pression ambiante présent dans le cylindre est refoulé à l’échappement à travers le conduit d’échappement. Ainsi, le fonctionnement de ce cylindre est alors « neutre » ou
« transparent », la pression agissant sur le piston étant la pression ambiante pendant toute la rotation du vilebrequin au cours du tour considéré.
Comme représenté schématiquement à la figure 8, le principe de la mise en oeuvre de la désactivation d’un cylindre selon l’invention peut être mis en oeuvre dans le cadre d’un moteur à au moins deux cylindres dont les pistons entraînent le même vilebrequin.
Ce fonctionnement permet d’utiliser seulement certains cylindres (au choix) et d’en rendre d’autres « neutres » ou « transparents ». Cela permet de régler la charge globale du moteur tout en ayant un fonctionnement à pleine charge (C’est-à-dire au meilleur rendement) sur un ou plusieurs cylindres non désactivés. Par exemple, sur un moteur à trois cylindres, un fonctionnement sur un seul cylindre correspond à un tiers de la charge maximale, avec un seul cylindre « actif » fonctionnant à pleine charge.
La figure 8 illustre un exemple d’un moteur selon l’invention à trois cylindres identiques en ligne.
Chaque soupape d’admission, respectivement A1, A2 et A3 est reliée au même réservoir 12 d’air sous pression.
Tel que représenté à la figure 8, le premier cylindre (A droite) est un cylindre actif, tandis que le deuxième et le troisième cylindre sont chacun dans un état de fonctionnement « désactivé » selon le principe décrit ci-dessus en référence à la figure 7.
De la même manière il est possible de désactiver le premier cylindre et le troisième cylindre, ou encore le premier cylindre et le deuxième cylindre.
La désactivation d’un cylindre peut être effectuée selon un nombres de tours consécutifs de rotation du vilebrequin, par exemple pendant 1000 tours, puis en changent de cylindre « désactivé ».
Ce type de « cycles » de désactivation permet avantageusement d’obtenir une usure régulière de tous les cylindres du moteur.
Il est aussi possible de ne désactiver qu’un seul des trois cylindres en conservant les deux autres « actifs », c’est-à-dire selon un mode permettant de fonctionner aux deux tiers de la charge du moteur.
Dans un tel cas, on peut bien entendu faire varier cycliquement la désactivation de chacun des trois cylindres.
Pour l’obtention de charges « intermédiaires » du moteur (C’est-à-dire ici différentes de 1/3, 2/3 ou 3/3) c’est la gestion en mode actif des chambres actives chaque cylindre - ou de la totalité des trois cylindres actifs » qui permet de piloter la valeur du couple de sortie.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur à chambre active fonctionnant selon un cycle thermodynamique à trois phases comportant:
- une phase de transfert isobare et isotherme;
- une phase de détente polytropique avec travail;
- une phase d'échappement à pression ambiante; ce moteur comportant:
- au moins un cylindre (1) alimenté par un gaz sous pression, préférentiellement par de l'air comprimé, contenu dans un réservoir de stockage à haute pression (12),
- au moins un piston (2) qui est monté coulissant dans ce cylindre (1),
- un vilebrequin (5) entraîné par le piston au moyen d'un dispositif bielle- manivelle (3,4) traditionnel,
- une culasse (6) qui ferme à sa partie supérieure le volume du cylindre (1) qui est balayé par le piston (2), et qui comporte au moins un conduit d'admission dans lequel s'écoule un flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre, un orifice d'admission (7) du gaz sous pression au- dessus du piston, et au moins un orifice d'échappement et un conduit d'échappement (8) qui est relié à l’atmosphère dans lequel s'écoule un flux de gaz sous pression de vidange du cylindre (1), la culasse étant agencée de telle sorte que, lorsque le piston (2) est à son point mort haut, le volume résiduel compris entre le piston (2) et la culasse (6) est, par construction, réduit aux seuls jeux minimum permettant le fonctionnement sans contact entre le piston (2) et la culasse (6),
- au moins une soupape d'admission qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape d’admission formé dans la culasse (6) et qui délimite l'orifice d'admission,
- au moins une soupape d’échappement (9) qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape d'échappement (20) formé dans la culasse (6) et qui délimite l’orifice d’échappement (7), moteur dans lequel:
-- le volume du cylindre (1) balayé par le piston (2) est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant une chambre active (CA) qui est incluse dans le cylindre (1) et une deuxième partie constituant une chambre de détente (CD),
-- sous la poussée continue du gaz sous pression admis dans le cylindre (1), à pression constante de travail, le volume de la chambre active (CA) augmente en produisant un travail correspondant à la phase de transfert isobare et isotherme du cycle thermodynamique de fonctionnement, -- l'admission du gaz sous pression dans le cylindre (1) est obturée dès que le volume maximal de la chambre active (CA) est atteint, la quantité de gaz sous pression comprise dans ladite chambre active (CA) se détendant alors en repoussant le piston (2) sur la deuxième partie de sa course qui détermine la chambre de détente (CD) en produisant un travail correspondant à la phase de détente polytropique du cycle thermodynamique de fonctionnement,
-- le piston (2) ayant atteint son point mort bas, l'orifice d'échappement est alors ouvert pour réaliser la phase d'échappement (7) du cycle thermodynamique de fonctionnement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course jusqu'à son point mort haut,
-- le couple et le régime du moteur sont commandés par l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission en permettant d'ouvrir la soupape d'admission, sensiblement au point mort haut de la course du piston, et en permettant, par la fermeture de la soupape, de modifier la durée et/ou le secteur angulaire de l'admission, ainsi que la section de passage de l'ouverture d'admission afin, en fonction de la pression du gaz comprimé contenu dans le réservoir de stockage (12) et de la pression en fin de la phase de détente, de déterminer la quantité de gaz sous pression admise ainsi que le volume de la chambre active (CA), caractérisé en ce que:
- a) la soupape d'échappement (9) est montée mobile en déplacement axial entre une position basse de fermeture dans laquelle elle est en appui étanche sur son siège de soupape d’échappement (20), et une position haute d'ouverture,
- b) dans le sens de son ouverture, la soupape d’échappement (9) se déplace axialement, dans le sens correspondant à celui de l’écoulement du flux de gaz sous pression hors du cylindre (1),
-c) dans sa position de fermeture, la soupape d’admission est maintenue fermée sur son siège de soupape d’échappement (20) par un ressort (13),
- d) les efforts axiaux s’exerçant sur la soupape d’échappement (9) qui résultent de la pression régnant dans le conduit d’échappement (8) et dans le cylindre (1) sont en permanence équilibrés,
- e) le moteur comporte un vérin pneumatique (V) de commande de l’ouverture de la soupape d’échappement (9), sensiblement au point mort bas de la course du piston (2), pour provoquer le décollement de la soupape d’échappement (9) de son siège (20) pour réaliser la phase d'échappement (7) du cycle thermodynamique de fonctionnement pendant la remontée du piston sur la totalité de sa course jusqu'à son point mort haut, la soupape parcourant alors sa course complète d'ouverture à l’encontre de l’effort exercé par le ressort de rappel (13), Tl
- f) le vérin pneumatique( V) comporte un cylindre de vérin et un piston (P) qui est relié à la soupape d’échappement (3) et qui délimite une chambre de pilotage (100) qui est reliée à une source (10) de gaz à basse pression,
- g) le moteur comporte un canal (X1) qui relie la source (10) de gaz à basse pression à la chambre de pilotage (100), et une valve une valve (A) commandée d’admission du gaz à basse pression dans la chambre de pilotage (100),
- i) le moteur comporte un canal (X2) de commande de fermeture de la soupape d’échappement (9) qui relie la chambre de pilotage (100) à l’air libre ou à un système de récupération d’énergie (11), et une valve (B) commandée de vidange de la chambre de pilotage, et en ce que, pour désactiver ledit au moins un cylindre pendant un tour de rotation du vilebrequin, depuis un passage du piston au point mort haut (PMH) jusqu’au passage suivant du piston au point mort haut (PMH) :
- on maintient la soupape d’admission fermée pour obturer l'admission du gaz sous pression dans le cylindre (1) pendant ledit tour de rotation ;
- et, simultanément pendant ledit tour de rotation, on maintient la soupape d’échappement ouverte dans un état dit de désactivation du cylindre.
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant la première moitié dudit au moins un tour, de l’air à pression atmosphérique est aspiré à travers le conduit d’échappement (8) qui, pendant la seconde moitié dudit au moins un tour, est ensuite vidangé hors du cylindre (1) à travers le conduit d’échappement (8).
3. Moteur selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit au moins un cylindre est désactivé pendant plusieurs tours successifs de rotation du vilebrequin.
4. Moteur caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux cylindres (1) dont chaque piston (5) entraîne le même vilebrequin au moyen d'un dispositif bielle-manivelle (3,4) traditionnel, et dont chaque cylindre est réalisé selon l’une des revendications 1 à 3, et caractérisé en ce que pendant ledit au moins un tour de l’un desdits au moins deux cylindres pendant lequel il est désactivé, un autre desdits au moins deux cylindres est un cylindre actif fonctionnant selon ledit cycle thermodynamique à trois phases.
5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comporte au moins trois cylindres (1) dont chaque piston (5) entraîne le même vilebrequin au moyen d'un dispositif bielle-manivelle (3,4) traditionnel, et dont chaque cylindre est réalisé selon l’une des revendications 1 à 3, et caractérisé en ce que pendant ledit au moins un tour de l’un desdits au moins trois cylindres pendant lequel il est désactivé, les au moins deux autres cylindres sont des cylindres actifs fonctionnant selon ledit cycle thermodynamique à trois phases.
6. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de gaz à basse pression est un détendeur (10) dont l’entrée est reliée au réservoir de stockage à haute pression (12) ou au conduit d’admission, et dont la sortie est reliée à la chambre de pilotage (100).
7. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le détendeur (10) est un détendeur à pression de sortie variable commandée pour faire varier la valeur de la levée de la soupape d’échappement (9) de son siège (20).
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