et à distribution active à l'admission»

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'admission 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.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On appelle distribution l'ensemble des moyens utilisés pour alimenter un tel moteur en gaz comprimé.

Les inventeurs 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 fonctionnant en mono-énergie et en 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 ont aussi déposé une demande de brevet WO-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 ont alors déposé une demande de brevet WO-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 de WO-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 WO-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 WO-A1 -2008/028881 , qui présente une variante des enseignements du document WO-A1 -2005/049968, enseigne le même cycle thermodynamique, mais en utilisant un dispositif bielle-manivelle traditionnel, la chambre d'expansion du moteur selon l'invention participant activement au travail.

Les moteurs selon les enseignements des documents WO-A1-2005/049968 et WO-A1 -2008/028881 sont dits « moteurs à chambre active ».

Par la suite, les inventeurs ont déposé une demande de brevet pour un moteur à air ou à gaz comprimé à chambre active incluse qui met en œuvre le même cycle thermodynamique que les moteurs selon les enseignements de WO-A1 -2005/049968 et WO-A1 -2008/028881 , ainsi qu'un dispositif bielle-manivelle conventionnel.

Selon les enseignements du document WO-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 qui, sous la poussée continue de l'air comprimé à pression constante de travail, va augmenter son volume en produisant un travail représentant la phase de transfert quasi- isotherme ;

- l'admission de l'air comprimé, ou du gaz sous pression, dans le cylindre est obturée dès lors que le volume maximal de la chambre active CA est atteint, et que la quantité d'air comprimé, 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 chambre 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 sur la totalité de sa course.

Le volume de la chambre active incluse CA et le volume de la chambre de détente CD sont dimensionnés de telle sorte qu'à la pression nominale de fonctionnement du moteur, 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'admission.

Avantageusement, et notamment en fonctionnement monoénergie à air comprimé, le moteur à chambre active incluse décrit ci- dessus comporte plusieurs cylindres successifs de cylindrées croissantes.

Préférentiellement, le moteur est alimenté à l'instar des enseignements des documents WO-A1 -2005/049968 et WO-A1 -2008/028881 , 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.

Toutefois, même si il est possible dans le cas d'un moteur pluri étagé d'alimenter le premier des cylindres à des pressions élevées, il reste nécessaire de détendre l'air comprimé à très haute pression contenu dans le réservoir de stockage à haute pression jusqu'à une pression nominale de travail et cette opération de détente, soit entraîne une perte de rendement par l'utilisation d'un détendeur conventionnel soit, avec l'utilisation des enseignements de WO-A1 -03/089764, ne coûte pas d'énergie, mais cette détente ne permet pas d'effectuer un quelconque 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 inventeurs ont alors déposé une nouvelle demande de brevet WO-A1-2012/045694 au contenu de laquelle on pourra se reporter qui revendique un moteur à air comprimé 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 œuvre, 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. Une soupape vient obturer le conduit d'admission et/ou d'échappement et elle comporte une tête de soupape maintenue par 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 maîtriser 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 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 ont aussi déposé la demande de brevet WO-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 œuvre 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.

L'invention, adaptée notamment aux moteurs à air comprimé à chambre active, et notamment aux moteurs autodétendeurs plurimodaux à chambre active incluse, propose de résoudre l'ensemble des problèmes évoqués ci-dessus tout en apportant un surcroit de puissance.

Le dispositif de distribution active à l'admission selon l'invention 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.

BREF RESUME 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, 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, caractérisé en ce que :

- 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.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention :

- la valve de distribution active est commandée selon le cycle suivant : i) ouverture de la valve de distribution active pour mettre la chambre de fermeture en communication avec la chambre active pour, provoquer la fermeture de la soupape d'admission puis, au cours de la phase de détente, permettre la détente du gaz comprimé, contenu dans la chambre de fermeture, dans la chambre de détente du cylindre en produisant 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,

ii) en fin de la phase de détente, fermeture à nouveau de la valve de distribution active pour maintenir à l'intérieur de la chambre de fermeture la pression du gaz détendu dont la valeur est proche de celle de la pression atmosphérique ;

- lesdits moyens d) de commande de l'ouverture de la soupape d'admission comportent :

- d1) un canal de commande d'ouverture de la soupape d'admission qui relie la partie supérieure de la chambre active au conduit d'admission ou au réservoir de gaz sous pression,

- d2) et une valve commandée d'obturation de la circulation du gaz dans le canal de commande d'ouverture, dite valve d'ouverture ;

- ladite valve de commande d'ouverture est commandée selon le cycle suivant :

k1) en fin de phase d'échappement, lorsque le piston est sensiblement au point mort haut de sa course, ouverture de ladite valve, pour permettre d'établir dans la chambre active une pression identique à celle régnant dans le conduit d'admission et provoquer le décollement de la soupape d'admission de son siège,

k2) la soupape d'admission parcourt 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,

k3) fermeture de ladite valve dès que la soupape d'admission s'ouvre ;

- le moteur comporte un canal qui relie ladite chambre de fermeture au conduit d'admission et/ou au réservoir de gaz sous pression, et une valve d'obturation de la circulation du gaz dans ce canal dont l'ouverture puis la fermeture sont commandés, pour provoquer la fermeture de la soupape d'admission, préalablement à la mise en communication de la chambre de fermeture avec le volume du cylindre balayé par le cylindre.

- lesdits moyens de commande de l'ouverture de la soupape d'admission, comportent un doigt formé en relief sur la face supérieure du piston qui, au cours de la fin de course du piston vers son point mort haut, agit, à travers l'orifice d'admission, sur une portion en vis à vis de la soupape d'admission pour la décoller de son siège.

- la valve de distribution active est commandée selon le cycle suivant :

j) ouverture de la valve de distribution active pour mettre la chambre de fermeture en communication avec la chambre active pour mettre la chambre de fermeture en communication avec la chambre de détente du cylindre, pour permettre la détente du gaz comprimé, contenu dans la chambre de fermeture, dans la chambre de détente du cylindre en produisant un travail qui s'ajoute au travail de la charge de gaz sous pression préalablement admise dans la chambre active,

jj) en fin de la phase de détente, fermeture à nouveau de la valve de distribution active pour maintenir à l'intérieur de la chambre de fermeture une pression dont la valeur est proche de celle de la pression atmosphérique ;

- la position haute maximale d'ouverture de la soupape d'admission est définie par une butée réglable dont la position axiale, selon la direction de déplacement de la soupape d'admission, est commandée pour faire varier de débit de gaz sous pression admis dans le cylindre via le conduit d'admission.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, à titre non limitatif, de plusieurs modes de réalisation, faite en regard des dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1A représente schématiquement 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 ;

- les figures 1B à 1D sont des vues analogues à celle de la figure 1A sur lesquelles le moteur est illustré dans différentes phases successives de fonctionnement du moteur selon l'invention et dans lesquelles la figure 1B représente le moteur en cours d'admission, la soupape d'admission ayant été ouverte dès le point mort haut ;

- la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1D qui illustre un deuxième mode de réalisation d'un moteur selon l'invention ;

- la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1B qui illustre un troisième mode de réalisation d'un moteur selon l'invention ;

- la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 1D qui illustre un quatrième mode de réalisation d'un moteur selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DES FIGURES

Description des figures 1a à 1D. La figure 1A représente un moteur auto-détendeur à chambre active équipé d'un ensemble de distribution active d'admission selon l'invention.

On a représenté aux figures 1A à 1D un moteur à chambre active CA fonctionnant selon un cycle thermodynamique à trois phases comportant :

- un transfert isobare et isotherme ;

- une détente polytropique avec travail ;

- un échappement à pression ambiante.

Le moteur comporte au moins un cylindre 1, dont un seul 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 dans ce cylindre 1, et un vilebrequin 5 qui est entraîné par le piston 2 au moyen d'un dispositif bielle-manivelle 3, 4 traditionnel.

Le volume du cylindre moteur 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) en deux parties : une première partie constituant la chambre active CA, qui est ainsi incluse dans le cylindre 1, et une deuxième partie constituant la chambre de détente CD.

Le moteur comporte encore une culasse 6 qui ferme à sa partie supérieure le volume du cylindre 1, qui est balayé par le piston 2. La culasse 6 comporte au moins un conduit d'admission 8 qui est relié au réservoir 12 et dans lequel s'écoule le flux de gaz sous pression de remplissage du cylindre, un orifice d'admission 7 du gaz sous pression au-dessus du piston 2.

La culasse comporte encore au moins un orifice d'échappement et un conduit d'échappement (non représentés).

La culasse 6 est 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.

La culasse 6 comporte au moins une soupape d'admission 9, dont une est illustrée, qui coopère de manière étanche avec un siège de soupape 20 formé dans la culasse 6 et qui délimite l'orifice d'admission 7.

De manière connue, dans un tel moteur :

- le volume du cylindre 1 balayé par le piston 2 est divisé en deux parties distinctes dont une première partie constituant une chambre dite 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 représentant la phase de transfert quasi-isotherme,

- l'admission du gaz sous pression dans le cylindre 1 est obturée dès que le volume maximal choisi de la chambre active CA est atteint, la quantité de gaz sous pression comprise dans la 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 assurant ainsi la phase de détente,

- le piston 2 ayant atteint son point mort bas, l'orifice d'échappement est alors ouvert pour assurer la phase d'échappement pendant la remontée du piston 2 sur la totalité de sa course jusqu'à son point mort haut,

- le couple et le régime du moteur sont commandés par commande de l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission 9 en permettant d'ouvrir la soupape d'admission 9, sensiblement au point mort haut de la course du piston (verticalement selon l'orientation de la figure), et en permettant, par la fermeture de la soupape 9, 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 contenu dans le réservoir de stockage 12 et 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 CA.

Le conduit d'admission 8 est directement relié au réservoir à haute pression 12 qui alimente ainsi directement la chambre active CA et se trouve à la même pression que celle du réservoir.

La pression régnant dans le conduit d'admission 8 est identique à celle du réservoir de stockage 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 du piston, en fin de détente, juste avant l'ouverture de la soupape d'échappement.

Selon l'invention, la soupape d'admission 9 est montée mobile en déplacement axial entre une position basse (en considérant l'orientation générale verticale des figures et sans référence à la gravité terrestre) de fermeture - représentée à la figure 1A - dans laquelle elle est en appui étanche sur son siège de soupape 20, et une position haute d'ouverture - représentée à la figure 1B.

Dans le sens de son ouverture, la soupape d'admission 9 se déplace axialement - vers le haut, dans le sens opposé à celui de l'écoulement du flux F de gaz sous pression de remplissage du cylindre. Ainsi, la soupape d'admission s'ouvre dans le sens opposé au flux d'air sous pression de remplissage du cylindre du moteur.

Dans sa position de fermeture, la soupape d'admission 9 est maintenue fermée de façon autoclave sur son siège de soupape 20 par la pression régnant dans le conduit d'admission 8 et s'appliquant à la soupape d'admission, c'est-à-dire sur la tête de la soupape à l'intérieur du conduit d'admission 8.

Le moteur comporte des moyens de commande de l'ouverture de la soupape d'admission 9, sensiblement au point mort haut de la course du piston, pour provoquer le décollement de la soupape d'admission 9 de son siège 20 et permettre d'établir dans la chambre active une pression à celle régnant dans le conduit d'admission 8.

Lors de sa phase d'ouverture, la soupape parcoure 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 et notamment sur la tête de la soupape, c'est-à-dire d'une part sur la surface inférieure 22 en forme de disque soumise à la pression régnant dans le cylindre 1, et d'autre part sur la surface supérieure 24 soumise à la pression régnant dans le conduit d'admission 8, la différence entre les aires de ces deux surfaces correspondant sensiblement à l'aire de la section de la tige ou queue 26 de la soupape 9.

Dans sa position fermeture, la soupape d'admission 9 est maintenue sur son siège 20, de façon autoclave par la pression de l'air comprimé contenu dans le circuit d'admission, et/ou dans le réservoir de 12 stockage de l'air comprimé, la pression dans la chambre active CA et la chambre de détente CD du moteur étant plus faible durant les phases détente et d'échappement de fonctionnement.

Le moteur comporte un vérin pneumatique V de fermeture de la soupape d'admission 9 qui, à titre d'exemple non limitatif, est ici aménagé dans la culasse 6.

Le vérin V comporte un cylindre de vérin 100 et un piston de fermeture 102 qui est lié en déplacement axial avec la tige 26 de la soupape d'admission 9, et qui est monté coulissant dans le cylindre de vérin 100 à l'intérieur duquel il délimite de manière étanche une chambre supérieure 104 du vérin, appelée chambre de fermeture de la soupape 9.

Le moteur comporte un canal X1 de distribution active qui relie la chambre de fermeture 104 à la partie supérieure de la chambre active CA agencée incluse dans le cylindre 1.

La position haute maximale d'ouverture de la soupape d'admission 9 est définie par une butée réglable 30 qui s'étend dans la chambre 104 et dont la position axiale, selon la direction axiale de déplacement de la soupape, est commandée (par des moyens non représentés sur les figures) pour faire varier le débit de gaz sous pression admis dans le cylindre via le conduit d'admission. La butée réglable commandée fait ainsi fonction de « papillon » commandé par un accélérateur. Les déplacements de la buté sont par exemple commandés et provoqués au moyen d'un moteur électrique pas à pas.

La butée réglable 30 permet de stopper la course ascendante et automatique de la soupape d'admission 9 en modifiant sa levée en fonction de paramètres demandés de fonctionnement du moteur. Le moteur comporte une valve commandée Y d'obturation de la circulation du gaz dans le canal X1 de distribution active, appelée valve Y de distribution active, dont l'ouverture peut être commandée pour mettre la chambre 104, de fermeture de l'admission, en communication avec la partie supérieure de la chambre active CA en établissant dans la chambre de fermeture 104 une pression complémentaire sur la face supérieure du piston 102 en repoussant, par l'action de ce piston, la soupape d'admission 9 sur son siège 20 et en fermant ainsi le circuit d'admission en mettant ainsi fin au travail de la chambre active CA.

La valve Y de distribution active est alors maintenue ouverte durant le temps de détente en permettant au gaz comprimé contenu dans la chambre de fermeture 104 de se détendre conjointement avec le gaz contenu dans la chambre de détente, tout en produisant 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.

Le moteur comporte un canal X2 de commande de l'ouverture de la soupape d'admission 9 qui relie la partie supérieure de la chambre active CA au conduit d'admission 8.

Le moteur comporte une valve Z commandée d'obturation de la circulation du gaz dans le canal X2, appelée valve d'ouverture de la soupape d'admission, dont l'ouverture peut être commandée pour mettre la partie supérieure de la chambre active CA en communication avec le conduit d'admission 8.

Lorsque le piston 2 du moteur est proche de son point mort haut (Figure 1B), par ouverture de la valve d'ouverture Z, le circuit d'admission est, au moment choisi, mis en communication avec la chambre active CA du cylindre en y permettant l'établissement d'une pression identique à celle contenue dans le circuit d'admission et, du fait de la différence d'aires mentionnée précédemment, la pression, repousse automatiquement la soupape d'admission 9 vers le haut et la soupape d'admission, dans son mouvement, ouvre le circuit d'admission.

Par exemple, pour une soupape d'un diamètre de 20 mm commandée par une queue de soupape de 6 mm, la surface inférieure est égale à 3,14 cm2 et la surface supérieure est égale à 2,86 cm2 (3,14 - 0,28), une poussée de 28 kg s'exerce pour ouvrir automatiquement la soupape d'admission 9 et permettre le remplissage de la chambre active CA.

La fermeture de la soupape d'admission 9 est ensuite assurée par la mise en communication de la chambre active CA avec la chambre de fermeture 104 créant ainsi une pression complémentaire sur la surface supérieure du piston 102 du vérin V de fermeture qui repousse alors la soupape d'admission 9 sur son siège 20 et ferme / obture l'admission pour permettre le cycle de détente de la chambre active CA dans la chambre de détente CD..

Dès le début de la détente (Figure 1C) le volume de la chambre de fermeture 104 est maintenu en communication avec la chambre de détente CD du moteur et l'air comprimé contenu dans la chambre de fermeture 104 se détend 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.

Ainsi, au sens de l'invention, la valve Y est une valve de distribution active, et le canal X1 est un canal de distribution active.

En fin de détente, la communication entre la chambre active et la chambre de détente du cylindre et la chambre de fermeture 104 est à nouveau obturée en maintenant dans cette dernière une pression proche de la pression atmosphérique, en permettant le renouvellement du cycle.

On comprend dès lors le fonctionnement de la distribution dite active selon l'invention dans lequel, avantageusement, l'énergie nécessaire à l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission 9 est fournie par la pression régnant dans le réservoir de stockage et / ou le circuit d'admission pour l'ouverture, et régnant dans la chambre active pour la fermeture, puis est ensuite réutilisée en produisant un complément de travail dans le cylindre.

Le volume de la chambre de fermeture 104 est de valeur réduite par exemple, à titre non limitatif, inférieur à 10% de la cylindrée du cylindre 1.

Il en va de même pour les canaux reliant l'admission et la chambre active, et la chambre de fermeture 104 à la chambre de détente CD, dont les sections de passage sont calculées pour permettre un débit suffisant pour l'établissement des pressions dans les différentes chambres. Ces divers canaux ont des diamètres réduits par exemple de l'ordre de 0,5 à 2 millimètres pour un diamètre du conduit principal d'admission de l'ordre de 20 millimètres.

Préférentiellement on utilisera des valves Y et Z du type électromécaniques, constituées notamment sous la forme d'électrovannes adaptées et facilement pilotables par un boîtier de gestion électronique (non représenté).

En outre le pilotage par gestion électronique et commande pneumatique permet des vitesses d'ouverture et de fermeture de la ou des soupapes et des phasages angulaires de commande de grande précision.

Dans le cycle de fonctionnement de la distribution active décrit ci-dessus la détente du volume d'air contenu dans la chambre de fermeture s'effectue conjointement à celle de la chambre active et aux pertes de charge près allant de la pression nominale à la pression d'échappement.

Description de la figure 2 La description qui suit est effectuée par comparaison avec le mode de réalisation préalablement décrit en référence aux figures 1A à 1 D.

La conception précédente est complétée par un canal supplémentaire X3 qui relie le conduit d'admission 8 à la chambre de fermeture 104 du vérin V.

Le moteur comporte aussi une valve T commandée d'obturation de la circulation du gaz, de l'air comprimé, dans le canal X3, dont l'ouverture peut être commandée pour mettre le conduit d'admission 8 et/ou le réservoir 12 en communication avec la chambre de fermeture 104.

Ainsi, la chambre de fermeture 104 dispose d'au moins deux conduits, X3 et X1 munis chacun de moyens commandés d'obturation, T et Y, permettant de mettre la chambre de fermeture 104, successivement en communication avec d'une part avec le circuit d'admission et/ou le réservoir de stockage à haute pression 12, et d'autre part avec la chambre active et de détente du cylindre.

La fermeture de la soupape d'admission 9 est assurée par la mise en communication du circuit d'admission et/ou du réservoir de stockage avec la chambre de fermeture 104, via le canal X3, et par commande de l'ouverture de la valve T, en créant ainsi une pression complémentaire sur la surface du piston de fermeture 102 qui repousse la soupape d'admission 9 sur son siège 20 et ferme l'admission pour permettre le cycle de détente de la chambre active CA dans la chambre de détente CD.

Ainsi, la détente active de la chambre de fermeture 104 peut être retardée pour intervenir plus tard dans le cycle, par commande l'ouverture de la valve Y.

Dès le début de la détente, ou en cours de détente, le volume de la chambre de fermeture 104 est mis en communication avec la chambre de détente CD et l'air comprimé contenu dans la chambre de fermeture 104 se détend dans la chambre de détente CD en produisant un travail qui vient s'ajouter au travail de détente de la charge admise dans la chambre active CA.

Sensiblement en fin de détente, la communication entre la chambre active et de détente du moteur et la chambre de fermeture 104 est à nouveau obturée en maintenant dans cette dernière une pression proche de la pression atmosphérique autorisant le renouvellement du cycle.

Description de la figure 3.

La description qui suit est effectuée par comparaison avec le premier mode de réalisation illustré aux figures 1A à 1D.

Selon ce mode de réalisation, il est prévu des moyens mécaniques pour provoquer le décollement de la soupape d'admission 9 de son siège 20, qui agissent directement sur la tête de la soupape d'admission 9.

Dans le cas d'un moteur devant fonctionner à des vitesses de rotation sensiblement constantes, et qui ne nécessite donc pas de variations du calage de l'ouverture de l'admission, l'ouverture de la soupape d'admission 9 est avantageusement simplifiée par l'intégration d'un tel dispositif mécanique.

A cet effet, lesdits moyens de commande de l'ouverture de la soupape d'admission 9, sont constitués par un doigt D, ou poussoir, qui est formé en relief sur la face supérieure du piston (2) et qui s'étend verticalement vers le haut en regard de la tête en vis à vis de la soupape d'admission 9.

De par son agencement et son dimensionnement, le doigt D de commande d'ouverture est apte à coopérer mécaniquement avec la face inférieure 20 de la tête de la soupape d'admission 9 pour pousser cette dernière verticalement vers le haut.

C'est au cours de la fin de course du piston vers son point mort haut, que le doigt D agit, à travers l'orifice d'admission, sur la portion en vis à vis de la face inférieure 22 de la tête de la soupape d'admission 9 pour la décoller de son siège.

Le doigt D est positionné au droit de la partie inférieure de la tête de la soupape d'admission de telle sorte qu'il soulève légèrement la soupape d'admission en créant une fuite qui met en communication le circuit d'admission avec la chambre active CA en établissant dans la chambre de fermeture 104 une pression complémentaire sur la surface supérieure du piston 102 et, par l'action du piston 102 lié à la queue de la soupape, en repoussant la soupape d'admission 9 sur son siège 20 en fermant ainsi le circuit d'admission en mettant fin au travail de la chambre active CA.

La soupape parcourt 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 9.

Après ouverture de la soupape d'admission, et début du cycle de détente, du fait de la descente du piston 2, le doigt D n'agit plus sur la soupape d'admission 9, et la suite du cycle est identique à celle décrite en référence aux figures 1A à1D, en mettant en œuvre la valve Y.

Description de la figure 4

La description qui suit est effectuée par comparaison avec le deuxième mode de réalisation illustré à la Figure 2.

L'agencement du canal X2 et de la valve associée Z de commande l'ouverture de la soupape d'admission est modifié.

Le vérin V est un vérin à double effet à deux chambres étanches séparées par le piston 102. La chambre inférieure 105 est une chambre de commande l'ouverture de la soupape d'admission 9 qui, par le canal X2, est reliée au conduit d'admission 8 et/ou au réservoir 12 de gaz sous pression.

Ainsi, la chambre de fermeture 104 dispose d'au moins deux conduits, X3 et X1, munis chacun de moyens commandés d'obturation T, Y permettant de mettre la chambre de fermeture 104, successivement en communication avec d'une part avec le circuit d'admission et/ou le réservoir de stockage à haute pression 12, et d'autre part avec la chambre active et de détente du cylindre.

L'ouverture de la soupape d'admission 9 est commandée par la valve Z qui alimente en gaz sous pression la chambre inférieure 105 du vérin V qui est une chambre d'ouverture.

La fermeture de la soupape d'admission 9 est assurée par la mise en communication du circuit d'admission et/ou du réservoir de stockage avec la chambre de fermeture 104, via le canal X3 et par commande de l'ouverture de la valve T, en créant ainsi une pression complémentaire sur la surface du piston de fermeture 102 qui repousse la soupape d'admission 9 sur son siège 20 et qui ferme l'admission pour permettre le cycle de détente de la chambre active CA dans la chambre de détente CD.

La fermeture est obtenue du fait de l'aire du piston 102 soumise à la pression qui est plus importante côté de la chambre 104, que du côté chambre 105 d'ouverture (la différence correspondant sensiblement à l'aire de la section de la tige de la soupape d'admission).

Ainsi, la détente active de la chambre de fermeture peut être retardée pour intervenir plus tard dans le cycle, par commande l'ouverture de la valve Y.

Dès le début de la détente, ou en cours de détente, le volume de la chambre de fermeture 104 est alors mis en communication avec la chambre de détente CD et l'air comprimé contenu dans la chambre de fermeture 104 se détend dans la chambre de détente en produisant un travail qui vient s'ajouter au travail de détente de la charge admise dans la chambre active.

Sensiblement en fin de détente, la communication entre la chambre active et de détente du moteur et la chambre de fermeture 104 est à nouveau obturée en maintenant dans cette dernière une pression proche de la pression atmosphérique autorisant le renouvellement du cycle.

Selon cette conception, le piston 102 du vérin V commande successivement l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission 9.

Selon une variante, non représentée, il est possible, comme pour la chambre 104, de relier la chambre 105 à la chambre active grâce à un canal X1' et une valve Y', en réalisant ainsi deux circuits parallèles de distribution active.

Les volumes de la chambre de fermeture 104 et de la chambre d'ouverture 105 peuvent alors être mis en communication avec la chambre de détente et l'air comprimé qui y est contenu se détend dans la chambre de détente en permettant d'augmenter le travail de détente de la charge admise en se détendant dans le cylindre moteur principal.

En raison de la souplesse d'utilisation et des possibilités de réglage(s) quasi illimités, le moteur équipé de la distribution d'admission « active » selon l'invention peut être utilisé sur tous véhicules terrestres, maritimes, ferroviaires, aéronautiques. Le moteur à chambre active selon l'invention peut aussi et avantageusement trouver son application dans les groupes électrogènes de secours, de même que dans de nombreuses applications domestiques de cogénération produisant de l'électricité, du chauffage et de la climatisation.

Le moteur à chambre active selon l'invention a été décrit avec un fonctionnement avec de l'air comprimé. Toutefois, il peut utiliser n'importe quel gaz comprimé/gaz à haute pression, sans pour autant sortir du champ de l'invention revendiquée.

L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisations décrits et représentés : les matériaux, les moyens de commande, les dispositifs décrits peuvent varier dans la limite des équivalents, pour produire les mêmes résultats. Le nombre de cylindres moteurs, leurs cylindrées, le volume maximum de la chambre active par rapport au volume déplacé du/des cylindre(s) et le nombre d'étages de détente, peuvent varier.