[Blog de Remundo] Machines et Animaux non conventionnels

[Glycogène]

Je n'ai pas bien pigé sur les coupes où se situaient les chambres de combustion.
Et aussi, comment se lubrifie tout cela ?

[Remundo]

Salut les amis Oléocéniens, et merci,

On va se faire un petit blog

A très bientôt.

[Remundo]

Les POGDC sont des moteurs lubrifiés sans carter

La lubrification se fait par injection/suintement d'huile au niveau des têtes de piston (TPA). Puis cette huile chemine dans l'ensemble du piston octogonal par des rainures et perçages adéquats.


L'huile est présente dans le réseau carré (marron transparent) de tubulures qui communiquent avec le piston octogonal.

Les traces d'huile usagée participent à la combustion, et s'éliminent au fur dans les gaz d'échappement idéalement sous la forme de CO2, H2O. Les imbrûlés peuvent être réduits avec des taux de compression pas trop bas (toujours le cas en Diesel, tendance récente des moteurs essence).

Les tubulures doivent être rechargées périodiquement en lubrifiant.

Un réservoir de lubrifiant peut être prévu. La "traditionnelle vidange" n'a plus lieu d'être car l'huile usagée s'élimine au fur et à mesure.

[Glycogène]

OK pigé.
A quoi servent les rainures dans l'arrondi du carter (les coins intérieurs de la croix) ?

[Remundo]

Salut Glycogène, ce sont des emplacements pour la segmentation des chambres périphériques.

[Remundo]

Les échanges gazeux des moteurs POGDC non rotatifs

Depuis quelques années, le calage variable des soupapes en phase, et plus rarement en ouverture, se développe de manière à améliorer l'efficacité des moteurs à tous les régimes.

Le POGDC non rotatif reprend le système de soupapes déjà proposé sur les MPRBC.


Tel que présenté ci-dessus, 10 soupapes rotatives interviennent, 5 pour l'admission, et 5 pour l'échappement, de manière à contrôler les flux des 4 chambres périphériques et de la chambre centrale.

Sur la vue ci-dessous, on voit en transparence les obturateurs rotatifs (bleus)

Le mécanisme des soupapes est un petit train épicycloïdal à deux entrées (principale + réglage) et d'une sortie actionnant un obturateur rotatif.

Un pilotage en position/vitesse du pignon de réglage permet de régler "en direct" la phase et l'ouverture de chaque soupape : grosso-modo, on combine sur un seul petit mécanisme ce que fait BMW sur ses moteurs les plus aboutis (Double Vanos + Valvetronic)

Le train épicycloïdal peut être abandonné : moteur sans calage variable.

Dans tous les cas, un autre avantage de ce système est l'écoulement en "pleine section" du flux gazeux*, de manière à avoir d'excellents remplissages et echappement sans perte notable par laminage du fluide, notamment à haut régime

Les POGDC rotatifs n'ont plus besoin de soupapes. Nous y reviendrons

* contrairement aux soupapes traditionnelles qui dévient le flux sur une section très petite.

[Remundo]

Le coeur d'une machine POGDC non rotative 1650 cm3

Sur l'image ci-dessous, on distingue une vue écorchée du piston octogonal à géométrie déformable (POGD) et de son environnement.

Il s'agit essentiellement de gauche à droite:
- des tubulures de lubrification
- des pistons de réglage du taux de compression
- des soupapes rotatives et des tubulures d'admission/échappement

La vue suivante est plus détaillée,

On y distingue notamment les injecteurs rouges, portés par le piston de réglage du taux de compression, pour chaque chambre. Ces pistons de réglage peuvent être commandés par une pression d'huile ou bien un mécanisme très fortement démultiplié (par exemple un moteur électrique actionnant une vis sans fin, puis un système vis/écrou). Le taux de compression réglable est optionnel, mais assez facilement implantable.

On observe aussi les soupapes à obturateur rotatif. L'écoulement est pleine section ; le pilotage de l'obturateur rotatif donne un calage variable entièremement pilotable en phase et en ouverture indépendamment d'une chambre à l'autre.
Il permet aussi de bloquer en position une soupape et ainsi de désactiver la chambre concernée.

Des solutions plus économiques, mais moins flexibles, comme des soupapes électromagnétiques à tiroirs sont aussi envisageables.

Nous nous intéresserons prochainement aux machines POGDC rotatives, tout aussi nouvelles avec sensiblement les mêmes avantages.

[Remundo]

Machines POGDC Rotatives

Nous avons vu les possibilités d'insertion d'un piston octogonal à géométrie déformable (POGD) dans un carter périphérique à glissière(CPG)

Il existe une autre variante des machines POGDC, tout aussi intéressante: l'insertion du même piston POGD dans un carter périphérique à rotation(CPR), tel que suggéré sur la figure ci-dessous:


Le piston POGD peut tourner dans le carter, ou bien le carter peut tourner autour du piston. L'avantage est qu'il s'agit d'une machine directemenr rotative, et sans soupapes.

Dans tous les cas, cela conduit à des rapprochements/éloignements successifs des têtes de pistons : 4 chambre pépiphériques et une chambre centrale voient ainsi des variations volumétriques compatibles avec un cycle 4 temps.

La forme du carter est un bilobe aux paramétrages mathématiques quasi-infini (il faut veiller néanmoins à éviter les collisions POGD/carter).

Ce paramétrage permet de contrôler finemement la géométrie du piston au cours du mouvement : c'est le moteur POGDC rotatif

P.S. : le contrôle de la volumétrie, c'est aussi le contrôle de l'inflammation

[Remundo]

Performances théoriques attendues, hypothèses basses

a) consommation spécifique

ci-dessus, il s'agit des csp d'un 2L TDi allemand à rampe commune, injection directe haute pression

On devrait avoir ça avec le POGDC ou le MPRBC. Avec le calage variable des soupapes + taux de compression réglable, on peut espérer - 10% - 10% de moins en conso.

b) puissance / L
s'il s'agit de Litre de cylindrée, 70 Ch/L pour avoir une durée de vie maximale du moteur (pour abaisser la pression moyenne effective et les chocs).

s'il s'agit de Litre de "moteur", la compacité de base atteinte est 0.2 pour les POGDC non rotatif, soit 0.2L d'air aspiré pour 1L de volume moteur et 2 tours du premier arbre mis en rotation.

N.B : les POGDC rotatifs sont bien au-delà, je reviendrai sur la notion de compacité

Ainsi, on prévoit 14 Ch/L de volume moteur : un moteur de 10 L donne 140 Ch. Pas mal.

Actuellement, les compacités sont de 0.04 ; 5 fois moins (moteur de 50 L pour les mêmes 140 ch.).

c) couple / L
Sur la base des hypothèse du b), et de 90% de rendement méca (transmission à galet + frottement réduits par les symétries du moteur)
70 x 0.9 = 63 Ch/L cylindrée = 46 kW/L obtenu à un régime de 6000 tr/min = 628 rad/s : couple de 7,4 daN.m/L cylindrée


d) puissance massique
22 kg/Litre de cylindrée : épaisseur des pièces dimensionnée à 100 bar de pression.

Donc si 1L =70 Ch., cela donne 3,18 ch/kg, soit en Watt (1000 W = 1,36 Ch) : 2340 W/kg

A titre de comparaison, un moteur de F1 est autour de 10 Ch./kg, et un moteur "ordinaire" à 1 ch/kg (par ex et de mémoire, un V6TDi 233 Ch pour 220 kg)

Il y a beaucoup d'acier à économiser avec les MPRBC et POGDC

[Remundo]

Compacité des machines POGDC

La problématique moteur selon SYCOMOREEN met comme objectif prioritaire l'augmentation drastique de la compacité des moteurs.

Le lecteur pourra notamment voir que les architectures hybrides ont urgemment besoin de moteurs thermiques très petits mais puissants.

La compacité d'un moteur, définie par le cahier des charges de SYCOMOREEN vaut :

volume d'air aspiré sur 2 tours du premier arbre mis en rotation*
______________________________________
volume du moteur comprenant toute la cinématique nécessaire à son fonctionnement**,

* pas d'engrenage réducteur gonflant artificiellement ce volume d'air frais

** hors accessoires pompe/alternateur, radiateur, mais AVEC soupapes + pièces convertissant le mouvement jusqu'au 1er arbre mis en rotation.

Pourquoi définir la compacité ainsi ?
1. parce que la puissance d'un moteur est directement proportionnelle au volume d'air frais qu'il aspire en un temps donné : plus un moteur sera compact, plus il aspirera d'air pour un volume total du moteur, de préférence petit.
2. le volume est par convention comptabilisé sur 2 tours pour retrouver la notion de cylindrée présente sur les moteurs à pistons 4 temps où il faut 2 tours de vilebrequin (le premier arbre mis en rotation) pour aspirer une fois le volume d'air frais égal à celui du cylindre
3. la compacité ainsi définie s'applique exclusivement à des machines volumétriques, mais moyennant des hypothèses sur la puissance en Ch./L de cylindrée (SYCOMOREEN retient modestement 65 Ch/cylindrée), on peut retrouver la notion de puissance volumique du moteur, ainsi comparable à d'autres machines non volumétriques comme les turbines.

Etat de l'art des compacités

Les moteurs à piston/bielle/vilebrequin 4 temps sont les moins compacts. Typiquement, C = 0.04 à 0.05

Les moteurs de Rumen Antonov, prototypes basés sur un losange déformable louvoyant actionné par excentrique en rotation, avaient une compacité de 0.07 : cela venait du fait que le losange pulsait 2 fois pour un seul tour d'excentrique.

Les moteurs Wankel sont connus pour leur puissance volumique meilleure : en effet leur compacité typique vaut C = 0.1


Nous avons déjà signalé que les POGDC non rotatives avaient une compacité intrinsèque typique de 0,2 (sans surmultilober les cames, ou bien avec mécanisme sinus), soit 4 à 5 fois meilleure que les moteurs à pistons traditionnels.

Mais en terme de compacité, les machines POGDC rotatives sont encore plus exceptionnelles comme nous allons le présenter maintenant.

Ci-dessous, nous avons les proportions d'une machine POGDC rotative typique : 1 unité sur les axes représentera par convention 3 cm, de façon à avoir
- 20 cm en largeur "hors tout"
- 10 cm en hauteur "hors tout"
- une profondeur de 10 cm, dont 5 cm de chambre utile et 5 cm de plaque/conversion du mouvement

Les volumes min typiques de chaque chambre :
- chambre périphérique en simple combustion : 23 cm3
- chambre centrale : < 5 cm3

Les volumes max typiques de chaque chambre :
- chambre périphérique en simple combustion : 254 cm3
- chambre périphérique en double combustion : 159 cm3
- chambre centrale : 125 cm3

Le premier arbre mis en rotation est solidaire des médianes vertes.

Sur 2 tours de médianes vertes, en cycle 4 temps :
- la chambre centrale aspire 4 fois sa cylindrée : 4x125 = 500 cm3
- les chambres périphériques simple combustion aspirent 8 fois leur deltaV max-min : 8x(254-23) = 1848 cm3
- les chambres périphériques à double combustion aspirent 16 fois leur Vmax : 16x159 = 2544 cm3

Le volume du moteur est 20 x10x10 = 2000 cm3

BILAN

Un POGDC rotatif simple combustion de 20 cm x 10 cm x 10 cm aspire 2348 cm3 sur 2 tours, soit C = 1,17

Un POGDC rotatif double combustion de 20 cm x 10 cm x 10 cm aspire 3044 cm3 sur 2 tours, soit C = 1,52

SYCOMOREEN préconise de se servir de la chambre centrale pour le stockage et déstockage pneumatique : les compacités diminuent respectivement à 0,92 et 1,27

Remarquons bien que même en se passant des la chambre centrale, les compacités des POGDC rotatives valent plus de 20 fois celles des moteurs à pistons et 10 fois celle d'un Wankel

P.S. : aussi bien pour les POGDC rotatifs ou non, il s'agit là de compacité intrinsèques ; l'apport des cames surmultilobées permet encore de multiplier ces compacités par un facteur entier : typiquement 2 à 4 pour les POGDC rotatifs, et 2 à 10 pour les POGDC non rotatifs.

Nous parlerons prochainement du stockage pneumatique... et en conclusion, petit rappel du fonctionnement POGDC rotatif à double combustion:

Note : les taux de compression "de base" sont de 11 en simple combustion et de 7 en double (suralimentation)

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Après tous ces efforts intellectuels sur les POGDC, faisons une pause avec une petite récréation sur les MRPBC.

Dernière version de la MPRBC

Au meilleur rapport performance/coût.
Voir le lien pour plus de précisions

Il n'y a pas que les chambres de combustion qui pulsent... :P

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Les deux variantes fondamentales des machines POGDC

Ainsi, nous avons vu qu'à partir de l'ensemble articulé de type piston octogonal à géométrie déformable (POGD), deux principales options sont possibles :

* Le POGDC non rotatif qui s'attache à maintenir les médianes horizontales et verticales de l'octogone dans 2 glissières orthogonales du carter fixe (carter périphérique à glissières CPG)


* Le POGDC rotatif qui introduit une rotation relative entre le carter (carter périphérique à rotation CPR) et les médianes de l'octogone (maintenues orthogonales) :

Dans ce cas, il y a encore 2 possibilités : faire tourner le carter autour du piston POGD


ou bien faire tourner le POGD dans le carter


Les POGDC rotatifs sont encore plus compacts que les POGDC non rotatifs. Nous y reviendrons prochainement.

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Optimisation du couple par association MPRBC/POGDC

Pour avoir du couple à tout moment, il suffit de déphaser 2 machines l'une par rapport à l'autre (tout particulièrement possible dans les versions avec 1 POGDC + 4 MPRBC

ou bien plus modestement prévoir un volant d'inertie directement intégré dans une grande came centrale rotative, comme ci-dessous

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Les machines POGDC et
le freinage récupératif en stockage pneumatique

Ainsi, comme précédemment exposé, les machines POGDC sont extrêmement compactes, avec de nombreuses chambres. C'est pourquoi il devient possible, selon l'application recherchée - et je pense ici particulièrement à des véhicules roulant avec châssis, du tricycle au camion, en passant par les trains - d'utiliser une ou plusieurs des chambres uniquement comme des compresseurs et moteurs pneumatiques.

Avec des valves tout ou rien commandées par une gestion électronique très simple :
- le freinage (accélérateur relevé + frein enfoncé) force une chambre à comprimer l'air ambiant vers un réservoir
- la relance (frein relevé + accélérateur enfoncé) force le réservoir comprimé à se détendre dans une chambre.

Les 2 chambres pouvant d'ailleurs être une seule et unique chambre, tantôt compresseur, tantôt moteur pneumatique. Le réservoir d'air comprimé peut même être placé au contact du moteur et récupérer une partie de la chaleur des gaz d'échappement, bloquant ainsi le refroidissement des gaz comprimé, de manière à les maintenir en pression.

Pour les machines POGDC non rotatives, les chambres optionnelles périphériques(COP) et la chambre centrale sont les plus adéquates.


Pour les machines POGDC rotatives, comme illustré sommairement ci-dessus et en zoom ci-dessous (valves non dessinées), la chambre centrale est toute désignée.


La haute compacité des POGDC (mais aussi des MPRBC) ouvre la voie à cette sérieuse alternative pour la récupération d'énergie cinétique au freinage : tant en charge qu'en décharge, le pneumatique est aussi rapide que des supercapacités ou bien des batteries avec une électronique de puissance complexe, sans leurs poids ni leurs coûts. Il ne nécessite par ailleurs aucun matériaux spéciaux (métaux rares, alliages, électrolytes...)

On trouvera plus généralement la problématique et des éléments de pré-dimensionnement pour le freinage récupératif sur ce document

Dans le prochain épisode, il sera question des cames rotatives surmultilobées 8)

[Remundo]

POGDC et cames rotatives surmultilobées

Les machines POGDC utilisent le piston octogonal à géométrie déformable(POGD), et surtout en Contrôlent finement la géométrie, tout spécialement avec les cames rotatives surmultilobées.

Dans tous les cas, la connexion mécanique entre les cames et le POGD se fait par l'intermédiaire de galets solidaires des têtes de piston (TPA,TPB,TPC,TPD). Ceci garantit un mécanisme robuste et d'excellent rendement. Comme il y a 4 galets, ceci permet aussi de faire transiter la puissance par plusieurs chemins au sein de la machine, et donc d'atténuer les contraintes sur les pièces.

POGDC non rotatifs

On a 2 possibilités :

1. le système quadricame : 1 came par tête de piston.
Les cames sont au minimum monolobées.

Pour les équilibrer, il faut au moins 2 lobes. Ci-dessous la version hexalobée :

Il y a possibilité d'engrènement entre les cames (possiblement en les doublant par de vrais engrenages pour une synchronisation optimale...). Cette formule permet de disposer de 4 arbres rotatifs, l'un de puissances, les 3 autres disponibles pour entraîner des accessoires (soupape, pompe, alternateur par exemple).

On peut néanmoins n'utiliser qu'une seule came centrale...

2. Le système came centrale rotative
De préférence, celle-ci doit être bilobée :


Mais on peut la surmultilober : les nombres optimaux sont 2, 6, 10, 14... car il permettent avec une seule came de contrôler les 4 manetons simultanément.
6 lobes

Ci-dessous, un POGDC à came centrale rotatives 14 lobes

Noter le nombre important de cycles pour faire un seul tour de came. Il y a aussi un effet "volant d'inertie", en particulier si on épaissit la came, pour réguler le couple moteur.

Signalons une variante un peu plus exotique : la double-came centrale contra-rotative (ici bilobée):

qui peut avoir un intérêt au moins théorique...

POGDC rotatifs

Le point de départ est la forme du bilobe du carter périphérique à rotation(CPR). Celle-ci est paramétrable "à l'infini" en veillant toutefois à l'absence de collision POGD/CPR et en ayant un profil continu et dérivable en tout point.

Le POGDC rotatif peut aussi être équipé d'une came centrale, mais celle-ci est particulière car elle porte des chemins entrecroisés surmultilobés(CES). Le but est de réduire le mouvement de rotation du POGD : pour réduire 2 fois, il faut 8 CES, 3 fois, 12 CES, etc...

Par exemple
CES facteur 2 : la came bleue tourne 2 vois moins vite que les médianes vertes du POGD :

CES facteur 4 : la came bleue tourne 4 fois moins vite que les médianes vertes du POGD :


Les 2 atouts essentiels des cames rotatives surmultilobées

A l'instar des MPRBC, le profil de base des cames peut être choisi pour piloter la volumétrie des chambres du POGD : par ce biais, on peut imposer n'importe quelle cinématique, notamment :

1. les plus optimales pour piloter la montée en température des phases de compression adiabatiques (et donc de contrôler l'inflammation en CAI/HCCI...) : durant ces phase TV^(k-1) = cte1 et PV^(k) = cte2 : contrôler le volume, c'est contrôler la température (et la pression), c'est à dire maîtriser les conditions de l'auto-inflammation.

2. limiter la durée du point mort haut : assez élevée sur les cinématiques bielle/manivelle (car totalement contraintes par la longueur de bielle et le rayon de vilebrequin), il génère des polluants de type NOx (favorisé par les hautes T°C et forte pression du PMH) et provoque des fuites thermiques vers la culasse.

Ensuite, par un traitement mathématique spécial, ce profil de base peut être surmultilobé : ceci augmente la compacité du moteur, car il lui faudra aspirer beaucoup d'air frais pour créer 2 tours sur le premier arbre mis en rotation, qui recevra donc une puissance très élevée par rapport au volume du moteur.

N.B. les moteurs POGDC ne redoutent pas les vitesses élevées de pièces puisqu'ils sont naturellement et parfaitement équilibrés.