DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

[0001] L'invention concerne un procédé d'allumage thermique dans les moteurs à combustion puisée, en particulier dans les moteurs à réaction utilisés dans le domaine aéronautique, et plus particulièrement encore, les réacteurs fonctionnant selon le cycle thermodynamique de Humphrey, par combustion à volume constant d'un mélange d'air comprimé et de carburant. L'invention se rapporte également à un « thermoréacteur » à allumage thermique apte à mettre en œuvre ce procédé.

[0002] L'invention peut s'appliquer à tout type de moteur à combustion interne à cycle thermodynamique de type puisé, par exemple les moteurs de véhicules automobiles, que ce soit à pression ou à volume constant dans la chambre. [0003] L'intérêt principal du cycle de Humphrey est d'utiliser plus efficacement l'énergie que peut fournir le carburant en réalisant une combustion à volume constant suivie d'une détente totale des gaz brûlés produisant ainsi de l'énergie cinétique de niveau élevé. Selon le type d'application, le thermoréacteur produira de la puissance par l'entraînement d'une turbine ou bien directement de la poussée. Les réacteurs réalisant une combustion à volume constant, encore appelés « thermoréacteurs », offrent alors des avantages décisifs par rapport aux turbomachines fonctionnant selon une combustion à pression constante, notamment en termes de compacité, ce qui permet de les loger dans les ailes d'un avion, en termes de masse et de rendement thermodynamique (avec des gains de consommations supérieurs à 10%). [0004] La combustion dans de tels thermoréacteurs est de type puisée alors que celle dans les turbomachines actuelles à pression constante est continue. Des moteurs à thermoréacteurs multiples sont décrits de manière plus détaillée par exemple dans les documents de brevet FR 2 945 316 ou FR 2829 528. De manière générale, chaque thermoréacteur comporte au moins un compresseur, au moins une tuyère, ainsi qu'une chambre de combustion reliée au compresseur et à la tuyère par des jeux de valves, respectivement d'injection et d'éjection. Chaque cycle de fonctionnement comporte plusieurs phases : classiquement, le cycle comporte trois phases - admission ou injection des gaz - combustion - détente avec éjection. Chaque chambre se trouve alors déphasée par rapport à une autre chambre de sorte que, pendant une même phase, chaque chambre couvre une phase différente du cycle.

[0005] Les valves peuvent être entraînées en rotation par des moteur électriques appropriés de manière synchronisée de sorte que, un prémélange de gaz frais, composé d'air comprimé et de carburant, est introduit dans chaque chambre via un col formé entre deux valves d'injection, deux valves d'éjection fermant la sortie des gaz. De manière analogue, lors de la détente des gaz brûlés, les valves d'injection ferment l'admission à la chambre de combustion et les valves d'éjection forment un col de sortie des gaz. Les valves ont des formes cylindriques appropriées à section allongée et sont positionnées pour que, au cours de leur rotation coordonnée, elles puissent former les cols de liaison successivement ouverts et fermés.

[0006] Un point fondamental concerne l'inflammation du mélange air- carburant introduit à faible pression pour réaliser la combustion puisée -qui est cyclique et donc non continue- le prémélange air et carburant étant allumé à chaque cycle.

ETAT DE LA TECHNIQUE

[0007] Dans les moteurs à combustion interne des véhicules automobiles, de type pistons - cylindres, les systèmes d'allumage électrique commandés utilisent des bougies d'allumage en liaison avec des circuits électromagnétiques. Un arc électrique— ou étincelle— est produit par la haute tension fournie aux électrodes de la bougie par une bobine pilotée par une régulation électronique. Une batterie est nécessaire pour alimenter la bobine.

[0008] Ainsi, l'allumage cyclique de chaque chambre de thermoréacteur est réalisé à partir d'une bougie comme pour un moteur à pistons, le principe de fonctionnement de ces moteurs étant de même nature.

[0009] Cependant, compte tenu du volume de la chambre sensiblement supérieur à celle de moteurs à piston, plusieurs points d'allumage sont nécessaires pour réaliser une combustion totale en des temps suffisamment brefs pour être compatibles avec le cycle thermodynamique de la chambre du thermoréacteur (de l'ordre de 10 à 20 ms) et fournir une puissance électrique importante (entre 500 et 1000 W). Dans ces conditions, et en particulier pour une application aéronautique, la masse de l'ensemble des systèmes d'allumage à installer et la réduction de fiabilité induite par la multiplication du nombre de pièces qui intervient ne permet pas de considérer cet allumage commandé comme bien adapté aux moteurs à cycle de Humphrey à combustion volume constant, et en particulier aux thermoréacteurs.

EXPOSE DE L'INVENTION

[0010] L'invention vise à remédier à ce problème, en proposant de prélever des gaz à haute température après combustion dans un cycle pour le réinjecter dans les gaz frais prémélangés du cycle suivant et provoquer ainsi une inflammation en masse de ces gaz frais. Il est en effet apparu que les gaz chauds issus de la combustion présentent des valeurs de température et de pression suffisantes pour provoquer une inflammation des gaz frais par réinjection des gaz chauds déjà prélevés. [0011] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé d'allumage thermique d'un moteur à combustion puisée ou cyclique comportant au moins une phase d'admission de gaz frais prémélangés en entrée d'injection d'une chambre de combustion, une phase de combustion de ces gaz dans la chambre, et une phase de détente des gaz brûlés en sortie d'éjection de cette chambre. Lors de l'amorce de la phase de détente du cycle qui suit la phase de combustion, un prélèvement de gaz sous haute pression et haute température est effectué puis, une fois la phase d'admission des gaz frais du cycle suivant terminée, les gaz chauds extraits au cycle précédent sont réinjectés dans la chambre. Les étapes de réinjection et de prélèvement se succèdent aux mêmes instants pendant les cycles de combustion successifs.

[0012] Selon des modes de mise en œuvre préférés :

- le prélèvement est opéré plus près de l'entrée d'injection des gaz dans la chambre que de la sortie d'éjection des gaz car la température et la pression sont à un niveau plus élevé en entrée qu'en sortie de la chambre; - le prélèvement et la réinjection des gaz prélevés sont réalisés selon deux opérations similaires effectuées en sens inverse selon le déplacement respectif de ces gaz;

- les gaz prélevés sont stockés pendant la durée séparant chaque prélèvement de chaque réinjection ; - le stockage est commun à au moins deux opérations de prélèvement/réinjection effectuées simultanément dans la chambre ;

- au moins un allumage provoqué est prévu pour initier la première combustion ;

- en début de chaque cycle de combustion, une injection d'air comprimé sans carburant dans la chambre de combustion précède l'admission du prémélange, cette injection formant une couche intermédiaire entre les gaz frais et les gaz brûlés afin d'éviter un allumage prématuré des gaz frais.

[0013] L'invention concerne également un thermoréacteur à allumage thermique apte à mettre en œuvre le procédé ci-dessus. Un tel thermoréacteur comporte un carter globalement fermé présentant des parois latérales et longitudinales ainsi que des ouvertures d'entrée et de sortie de gaz dans ces parois. Le carter définit une chambre de combustion fermée à une extrémité par un jeu de deux valves d'injection et à une autre extrémité par un jeu de deux valves d'éjection de gaz. Ces valves sont munies de moyens d'entraînement en rotation synchronisée. Dans la chambre de combustion, les valves présentent des portions cylindriques à section globalement oblongue d'axes de rotation séparés d'une distance déterminée de sorte que, au cours de leur rotation, chaque jeu de valves forme un col à section variant périodiquement par entraînement des valves entre fermeture et ouverture maximale. De plus, les valves ayant des pourtours d'extrémité cylindriques à section circulaire, au moins deux alvéoles sont ménagées sur le pourtour d'extrémité d'au moins une valve. Les alvéoles sont réparties sur ce pourtour de sorte à réaliser des communications, à des instants cycliques prédéterminés en fonction des ouvertures et fermetures périodiques des cols, entre d'une part une extrémité d'au moins un canal de prélèvement/réinjection de gaz débouchant à une autre extrémité dans la chambre et, d'autre part, une extrémité ouverte d'un réservoir de gaz.

[0014] Selon des modes de réalisation préférés : - des segments d'étanchéité sont disposés dans des gorges creusées sur le pourtour des extrémités cylindriques des valves ;

- les alvéoles de communication sont ménagées dans au moins une valve d'injection pour mettre en communication intermittente au moins un canal de prélèvement/réinjection de gaz et au moins un réservoir de gaz ; - les alvéoles de communication sont ménagées respectivement dans une seule valve d'injection et dans une seule valve d'éjection pour mettre en communication intermittente au moins un réservoir de gaz avec, respectivement, au moins un canal de prélèvement/réinjection et au moins un canal de prélèvement ; - les réservoirs de gaz forment un seul réservoir agencé dans une structure comportant des bagues support logeant les pourtours cylindriques de valves; - au moins un élément d'allumage, en particulier par arc ou par résistance électrique, est disposé dans la chambre de combustion afin d'initier la première combustion ;

- deux cycles de combustion étant effectués par tour de rotation des valves, le nombre d'alvéoles de communication est égal à quatre dans la valve d'injection concernée, ces alvéoles étant réparties de sorte à effectuer un prélèvement et une réinjection de gaz par cycle, et égal à deux dans la valve d'éjection concernée avec une répartition sur le pourtour circulaire correspondant à une réinjection de gaz par cycle sans prélèvement ; - les extrémités des canaux de prélèvement/réinjection communiquant avec les alvéoles de la valve d'injection débouchent dans la chambre plus près des valves d'injection que des valves d'éjection.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0015] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture d'exemples détaillés de réalisation non limitatif ci-après, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :

- les figures 1a et 1b, des vues schématiques en perspective et en coupe longitudinale centrale selon le plan BB de la figure 1a d'un exemple de thermoréacteur apte à fonctionner conformément à l'invention ;

- les figures 2a et 2b, des exemples de diagrammes de variation de pression et de température des gaz au cours du temps dans une chambre de combustion ;

- les figures 3a à 3c, des vues schématiques partielles en perspective d'un exemple de valve d'injection couplée à un allumeur thermique selon l'invention pendant respectivement les phases de remplissage, de fermeture et de vidange du réservoir thermique ; et

- les figures 4 à 7, des vues schématiques en coupe longitudinale (figures 4a, 5a, 6a et 7a) et dans un plan médian (figures 4b, 5b, 6b et 7b) d'une chambre de combustion selon un autre exemple de réalisation, pendant les phases de début et de fin combustion (figures 4 et 5) ainsi que pendant les phases de détente (figure 6) et d'admission (figure 7) des gaz dans cette chambre.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

[0016] En référence aux vues schématiques en perspective de la figure 1a et en coupe centrale de la figure 1b selon le plan BB de la figure 1a, un thermoréacteur 1 comporte :

- un carter 2 globalement parallélépipédique, présentant des ouvertures latérales 11 et 12 respectivement d'injection d'air comprimé Ac et d'éjection des gaz brûlés G1 , ainsi que des parois longitudinales 13 et 14, l'ouverture 12 formant la tuyère d'éjection des gaz brûlés ;

- des injecteurs 11 et 12 de carburant pour constituer avec l'air comprimé Ac un prémélange de gaz frais G2;

- une chambre de combustion CC limitée par le carter 2 et traversée par un premier jeu Vi de deux valves d'injection de gaz V1 et V3 et un second jeu Ve de valves d'éjection de gaz V2 et V4, respectivement agencés au regard des ouvertures d'entrée 11 et de sortie 12 du carter 2 ;

- deux jeux d'anneaux d'étanchéité circulaires type labyrinthe An1 à An4 agencés entre les parois longitudinales 13, 14 et les valves V1 à V4 qui traversent ces parois (un seul jeu d'anneaux étant visibles sur les figures) ; - une poulie Pi par jeu de valves Vi, Ve, qui reçoit une courroie d'entraînement en rotation (non visible), assurant la synchronisation entre les deux jeux de valves via des trains d'engrenage 23, 24, l'ensemble constituant des moyens d'entraînement 100 ;

- une bougie d'allumage commandé B5 (voir figure 1 b) pour initier la première combustion après admission des premiers gaz frais.

[0017] Les valves V1 à V4 s'étendent transversalement et, dans l'exemple illustré, parallèlement aux ouvertures latérales d'entrée de gaz 11 et de sortie de gaz 12. Dans la chambre de combustion CC, les valves V1 à V4 présentent une portion cylindrique à section globalement oblongue S1 à S4 d'axes de rotation A1 à A4 séparés d'une distance « D » déterminée. Les valves possèdent en leurs extrémités opposées aux moyens d'entraînement 100, des pourtours cylindriques à section circulaires F1 à F4 qui traversent également le carter 2 via des anneaux d'étanchéité B1 à B4. Au cours de la rotation des valves, synchronisée par les moyens d'entraînement 100 commandés par une unité centrale (non représentée), chaque jeu de valves Vi et Ve forme des cols C, et C _e de sections périodiquement variables entre fermeture et ouverture maximale de passage des gaz. Ces cols C, et C _e assurent, respectivement, le passage des gaz depuis les étages de compression (non représentés) vers la chambre de combustion CC et vers la tuyère d'échappement 12.

[0018] Au cours de la détente des gaz brûlés G1 à l'échappement, la température et la pression des gaz diminuent au cours du temps « t », dans la chambre de combustion CC, en suivant par exemple les diagrammes D _P et D _T des figures 2a et 2b. Dans cet exemple, le prémélange d'air comprimé et de carburant (gaz frais) a une faible pression d'injection de 2 bars et une faible température de l'ordre de 350°K lors de son admission dans la chambre.

[0019] En fin de combustion, à l'instant t ₀ , les gaz brûlés atteignent une température de 2600°K et une pression de 15 bars. Au plus près de cet instant t ₀ , correspondant aux points P ₀ et To des diagrammes Dp et DT, la pression et la température sont sensiblement à leur niveau maximal. L'invention prévoit de prélever alors un faible volume de ces gaz en ce tout début de détente et de le réinjecter dans le cycle suivant. Les gaz prélevés possèdent donc une température et une pression largement supérieures à la température et la pression du prémélange de telle sorte que les gaz brûlés vont pénétrer dans la chambre à une vitesse supersonique et à une température telle que la combustion se réalise quasi instantanément.

[0020] Au cours de la détente qui suit, la pression et la température diminuent jusqu'à atteindre, à l'instant ti, une pression Pi au plus égale à la pression d'injection du prémélange pour une température intermédiaire ΤΊ d'environ 1350°K. L'admission d'un nouveau prémélange s'effectue alors jusqu'à remplir totalement la chambre à l'instant t2 où les cols Ci et Ce d'injection et d'éjection (figure 1a) sont fermés. A cet instant t2, la pression P2 et la température T2 ont des valeurs sensiblement minimales et le volume de gaz précédemment prélevé sous haute pression P ₀ (environ 15 bars) et haute température T ₀ (environ 2600°K) est alors réinjecté dans la chambre de façon à initier une nouvelle combustion. A la fin de cette nouvelle combustion (instant t.3), on retrouve les conditions élevées de température To et de pression Po correspondant au temps to-

[0021] Les étapes de prélèvement et de réinjection du volume de gaz brûlés se succèdent aux mêmes instants t ₀ et t2 pendant les cycles de combustion successifs des gaz frais successivement admis dans la chambre.

[0022] Les figures 3a à 3c illustrent les étapes de prélèvement et de réinjection pendant, respectivement, des étapes successives de remplissage, de fermeture et de vidange d'un réservoir d'allumage 31 venant d'une bague support B1 logeant l'extrémité de la valve d'injection V1. Plus particulièrement, ces figures présentent respectivement des vues schématiques partielles en perspective d'un exemple de valve d'injection V1 couplée à un allumeur thermique 3 conformément à l'invention. Les liaisons entre le réservoir 31 et la bague B1 sont partiellement interrompues afin de montrer les circulations de gaz.

[0023] En référence à la figure 3a, le remplissage (flèches R1 ) du réservoir 31 de l'allumeur 3 est initié en tout début ou amorce de détente des gaz brûlés G1 , par exemple pendant 1 à 2 ms à compter de l'instant to qui suit le début de cette détente, la durée de remplissage dépendant de la vitesse de rotation de la valve et de la capacité du réservoir 31. Un faible volume Gp des gaz brûlés G1 , de pression environ égale à 15 bars, est alors prélevé quasi instantanément par un canal 32. Ce canal 32, ouvert à ses deux extrémités E5 et E6, est orienté vers le centre de la chambre de combustion CC et relie, par ses extrémités, la chambre CC au réservoir 31 où règne une pression sensiblement inférieure, qui est au plus égale à la pression du prémélange, soit d'environ 2 bars. Un tel écart de pression permet un prélèvement extrêmement rapide. [0024] Pendant la durée de remplissage, le canal 32 et le réservoir 31 communiquent via une alvéole C11 ménagée dans le pourtour circulaire F1 de la valve V1. A cette fin, la bague support B1 de la valve V1 présente un orifice 33 dans lequel est intégrée l'extrémité E5 du canal 32. La synchronisation des rotations des valves est réglée pour que cette communication se produise à partir de l'instant to du tout début de détente des gaz brûlés G1 , et pendant la durée de remplissage du réservoir 31.

[0025] Un nouveau cycle de combustion suit la sortie des gaz brûlés G1 : des gaz frais G2 sont admis dans la chambre par la rotation des valves d'injection. Le réservoir 31 ne se trouve plus alors en regard de l'alvéole C11 de la valve V1 (figure 3b) et le réservoir 31 est alors fermé contre le pourtour F1 de la valve V1. Le volume de gaz brûlé prélevé Gp est conservé dans ce réservoir entre les instants tO et t2 (figure 2a), pendant environ 12 millisecondes.

[0026] Lorsque la chambre CC est fermée suite à la poursuite de la rotation des valves (figure 3c), les gaz frais G2 sont à une pression d'environ 2 bars. Du fait de la synchronisation de la rotation des valves avec les phases du cycle de combustion, une autre alvéole C12 de la valve V1 se trouve placée en regard du réservoir 31 et du canal 32 en fin d'admission des gaz frais G2. Du fait de l'écart élevé de pressions entre celle (15 bars) du volume de gaz Gp, prélevé lors du cycle précédent, et celle (2 bars) des gaz frais G2, le volume Gp est quasi instantanément réinjecté dans la chambre CC via le canal 32 (flèches T1) qui sert alors de canal de vidange. Les gaz frais G2 sont alors enflammés par l'injection de ce volume Gp qui provoque une diffusion quasi instantanée de l'allumage dans toute la chambre. Le canal 32, l'alvéole C11 (ou l'alvéole C13 comme expliqué ci- après) et le réservoir 31 forment un allumeur thermique 3.

[0027] Sur les figures 3a à 3c, la valve V1 possède quatre alvéoles C11 à C14. Deux alvéoles C12 et C13, puis C14 et C11 , sont actives pendant les phases d'admission des gaz frais G2 et de début de détente des gaz brûlés G1 de chaque cycle de combustion. Comme chaque tour de rotation des valves couvre deux cycles de combustion, la valve V1 possède quatre alvéoles pour couvrir les deux cycles par tour. [0028] Les vues schématiques des figures 4 à 7 illustrent les corrélations temporelles entre les phases d'un cycle de combustion et les étapes d'activation d'allumeurs thermiques 3a et 3b dans un exemple de réalisation qui complète et reprend l'essentiel de l'exemple ci-dessus. Des moyens de prélèvement/réinjection, du même type que dans l'exemple précédent, sont respectivement associés aux valves d'injection V1 et d'éjection V2 de la chambre de combustion 1. Chacune de ces figures illustre la chambre de combustion CC en coupe longitudinale (figures 4a, 5a, 6a et 7a) et dans un plan médian Pm (figures 4b, 5b, 6b et 7b). [0029] Lors de l'amorce de combustion (figures 4a et 4b), les prélèvements de gaz brûlés Gpi et Gp ₂ , stockés dans le réservoir commun 31c, sont propulsés (flèches T1 ) pour être réinjectés dans la chambre CC via les canaux 32a et 32b, à l'image du canal 32 (figures 3a à 3c) et des alvéoles C14 et C23 ménagées dans les valves V1 et V2. Le canal 32a forme avec le réservoir 31c via l'alvéole C11 ou C13 un allumeur thermique 3a (respectivement 3b). Le carter 2 comporte une structure 40 formée des bagues support B1 et B2 prolongées par les parois du réservoir 32c.

[0030] Un segment 50 est, de plus, prévu dans une gorge 51 entre chaque pourtour d'extrémité circulaire F1 à F4 des valves V1 à V4 et la structure 40 afin d'assurer l'étanchéité totale. La valve V1 comporte les quatre alvéoles C11 à C14, comme dans l'exemple précédent, alors que la valve V2 n'en comporte que deux, C21 et C23, diamétralement opposés, pour les raisons exposées ci- dessous.

[0031] En fin de phase de combustion des gaz (figures 5a et 5b), le réservoir 31c est fermé car aucune alvéole de communication ne se trouve en regard du réservoir du fait de la rotation des valves. La pression et la température des gaz brûlés G1 sont alors conservées à leur niveau maximal.

[0032] L'étape de remplissage du réservoir 31c est initiée au plus proche de la phase de détente des gaz brûlés G1 (figures 6a et 6b), comme expliqué ci-dessus, la pression régnant dans la chambre CC (environ 15 bars) étant bien supérieure à celle du réservoir 31c (environ 2 bar). Seul le canal 32a via l'alvéole C11 assure ce remplissage (flèches R1 ) afin d'assurer le prélèvement de gaz en fond de chambre où la pression et la température sont considérées comme totales au sens de l'aérodynamique compressible. C'est pourquoi le prélèvement se fait de préférence au plus proche de la valve d'injection V1. [0033] Durant la phase de détente, les gaz brûlés G1 s'échappent par le col d'éjection C _e formé entre les valves d'éjection V2 et V4. La chambre CC reçoit alors des gaz frais G1 en phase d'admission via le col d'injection formé entre les valves. Le réservoir 31c reste fermé car aucune alvéole ne se trouve en regard des extrémités E8 et E9 de ce réservoir 31c, avant de réinjecter le gaz stocké (figures 4a et 4b).

[0034] Alternativement, le réservoir 31c peut être remplacé par deux réservoirs respectivement dédiés à chacune des deux valves, comme dans l'exemple précédent, afin de diminuer l'encombrement de stockage des gaz et de la structure 40. Dans ce cas, la valve d'éjection V2 est pourvue de quatre alvéoles, à l'image de la valve V1 , afin de pouvoir fonctionner de manière autonome pour la réinjection et le prélèvement des gaz brûlés.

[0035] De plus, en début de chaque cycle de combustion (figures 7a et 7b), une injection d'air comprimé sans carburant précède l'admission du prémélange G2 afin d'éviter un allumage prématuré d'une partie des gaz frais. [0036] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Il est, par exemple, possible de prévoir plus de quatre alvéoles de communication par valve lorsque le nombre de cycles de combustion est supérieur à deux par tour de rotation des valves. D'autre part, les réservoirs de stockage peuvent être disposés hors du carter de la chambre de combustion. Par ailleurs, plusieurs canaux de prélèvement/réinjection peuvent être prévus par allumeur thermique.