Cycles combinés dans les transports

[Tiennel]

Le moteur à combustion interne dégage beaucoup de chaleur inutile (comme une centrale nucléaire en fait).

Y a-t-il des moyens d'utiliser cette chaleur pour améliorer l'autonomie ? D'autres solutions aujourd'hui abandonnées (turbine) pourraient-elles revoir le jour ?

Je vous propose de dédier ce fil à ce sujet.

[Iguane]

Oui, bien sûr qu'il y a moyen. Le turbocompounding en est un : une turbine d'échappement est engrenée sur l'arbre de sortie. Volvo Trucks et Scania ont commercialisé des moteurs turbocompound avec deux turbines d'échappement en série, la première étant celle du turbocompresseur et la puissance de la seconde étant transférée au volant moteur. Le nouveau Volvo D13 n'est plus produit en version turbocompound, ce qui laise Scania comme seul constructeur à exploiter ce système – complexe et coûteux, pour un gain de consommation de 3 à 5 %.

Encore plus complexe, le cycle (Diesel ou Otto) combiné avec une turbine à vapeur, analogue à la cogénération :
http://www.auto-innovations.com/actualite/656.html

[Silenius]

Je propose un Diesel à bottom-cycle intégré :
-un compresseur à piston compresse de l'air à 20 bars environs.
-lorsque le piston moteur est arrivé a la moitié de sa course descendante lors de l'expansion, de l'air comprimé est injecté dans ce cylindre par des orifices judicieusement disposés de façon à refroidir la culasse et les parois . Le systéme de refroidissement liquide peut éventuellement être supprimé, comme sur les moteurs Elsbett. La détente de cet air absorbe les calories qui auraient été rejetées (par le système de refroidissement et les gaz d'échappement) et les transforme en travail.
-au point mort bas, la soupape d'échappement laisse s'échapper la surpression, mais le cycle d'admission n'est plus nécessaire, les gaz résiduels étant suffisamment riche en oxygène pour recommencer un nouveau cycle. ( l'admission d'air frais étant en réalité remplacée par l'injection d'air comprimé).
Maintenant, j'attend vos réaction, car ça me parait si simple que si ça fontionnait quelqu'un l'aurait déja inventé...
Si vous avez un logiciel de simulation thermodynamique (Cyclepad ?), vous pouvez essayer de faire une simulation.

[Environnement2100]

C'est pas un diesel deux temps ?

[Silenius]

C'est pas un diesel deux temps ?

Oui, c'est un 2 temps mais il faut des cylindres supplémentaires pour compresser l'air nécessaire au refroidissement interne. On doit donc obtenir la même puissance massique qu'un 4 temps.

[Iguane]

Je propose un Diesel à bottom-cycle intégré :
-un compresseur à piston compresse de l'air à 20 bars environs.
-lorsque le piston moteur est arrivé a la moitié de sa course descendante lors de l'expansion, de l'air comprimé est injecté dans ce cylindre par des orifices judicieusement disposés de façon à refroidir la culasse et les parois . Le systéme de refroidissement liquide peut éventuellement être supprimé, comme sur les moteurs Elsbett. La détente de cet air absorbe les calories qui auraient été rejetées (par le système de refroidissement et les gaz d'échappement) et les transforme en travail.
-au point mort bas, la soupape d'échappement laisse s'échapper la surpression, mais le cycle d'admission n'est plus nécessaire, les gaz résiduels étant suffisamment riche en oxygène pour recommencer un nouveau cycle. ( l'admission d'air frais étant en réalité remplacée par l'injection d'air comprimé).
Maintenant, j'attend vos réaction, car ça me parait si simple que si ça fontionnait quelqu'un l'aurait déja inventé...
Si vous avez un logiciel de simulation thermodynamique (Cyclepad ?), vous pouvez essayer de faire une simulation.

Ooouu là, apparemment ça ne va pas fonctionner, comme tu dis, si c'était le cas ça aurait déjà été inventé. Dans un diesel actuel, on a une pression de combustion de 170 à 200 bars et à mi-course d'expansion la pression dans le cylindre est encore très élevée, encore bien supérieure à 20 bars.

Or, à une pression de suralimentation (de balayage) de l'ordre de 8 bars, toute la puissance au vilebrequin d'un diesel 2-temps est déjà absorbée par son propre compresseur. On obtient alors un générateur de gaz, la puissance étant récupérée par la turbine d'échappement.

En pratique, dans un diesel 2-temps, l'échappement est ouvert avant l'admission. Les lumières ou les soupapes d'échappement sont ouvertes bien avant le PMB (point mort bas), entre 40° et 65° avant et la pression dans le cylindre à ce moment est encore de 3 à 10 bars (abs).

En ouvrant l'admission avant l'échappement, les gaz de combustion vont refluer dans l'admission puisque la pression dans le cylindre sera de toute manières plus forte que celle de l'air comprimé qu'on voudrait y introduire, sans compter que même si on y arrivait une bonne partie de l'air comprimé admis se barrera avec les gaz d'échappement et aura été comprimée en pure perte.

Voir notamment le diagramme de distribution dans cette page apparemment pas mal du tout :
http://www.dieselduck.ca/machinery_page ... ine.01.htm


Une idée qui me paraît plus intéressante a été postée sur des forums par un certain John R. Jamieson, alias "XNASA":
http://www.automotiveforums.com/vbulletin/t100689.html

Cordialement,
Iguane

[jimfells]

L'arme ultime, mon rêve de mécano, le cauchemar du responsable maintenance : le Napier Nomad



Consommation spécifique inférieure à 210g/(kW·h)

Sinon, le D13 j'ai eu la chance d'en voir en morceaux à Skövde (c'est l'usine de fabrication des culasses en fonte GS) en Suède.
Une bien belle bête, dont je n'ai compris que bien plus tard l'intérêt de sa turbine reliée à la transmission.

.

[sceptique]

C'est vrai que ces diesels dont parlent Iguane atteignent d'excellents rendements (50% et meme un peu plus). Je ne pense pas qu'il soit possible de faire mieux.
Seulement Tiennel parle d'autonomie ce qui sous entend véhicule. Je vois mal l'installation d'un tel moteur (taille d'un immeuble, poids en milliers de tonnes) dans une Clio !
Je crois qu'il faut se contenter pour des véhicules légers de moteurs dont le rendement en usage courant tourne autour de 30-40%. Ce qui est déjà très bon. Remarque : le rendement maximal peut etre meilleur mais dans des conditions de régime et de charge très étroites. En pratique le moteur surdimensioné d'une voiture esr rarement dans ces zones favorables. Contrairement au monstre du début utilisé sur des gros bateaux : le régime de croisière est calculé pour correspondre au rendement maximal. D'un autre coté, sur l'océan, les ralentissements, croisements et autres feux rouges sont assez rares

[Environnement2100]

Je refuse qu'on envisage des automobiles plus grosses que les immeubles. A vrai dire, il reste grosso modo 15 ans au VMCI pour se faire plaisir, et ensuite "Pschitt" : arriva il VE. Dans l'intervalle, les fabricants nous montreront des tas de protos en argile pour faire croire qu'ils bossent, mais le vrai sujet, c'est le VH+VE : la recherche dans ce domaine va vite absorber tous les budgets.

[Silenius]

Ooouu là, apparemment ça ne va pas fonctionner, comme tu dis, si c'était le cas ça aurait déjà été inventé. Dans un diesel actuel, on a une pression de combustion de 170 à 200 bars et à mi-course d'expansion la pression dans le cylindre est encore très élevée, encore bien supérieure à 20 bars.

>>(= réponses de Silenius) Mon post manquait de clarté, je ne parlais pas d'un Diesel 2t classique auquel on aurait fait une addition, mais bien d'un nouveau type de moteur conçu spécialement dans l'objectif de transformer un maximum d'énergie thermique en énergie mécanique.

Or, à une pression de suralimentation (de balayage) de l'ordre de 8 bars,

>> Il me semble que la pression délivrée par un compresseur de type Roots est beaucoup plus faible.

toute la puissance au vilebrequin d'un diesel 2-temps est déjà absorbée par son propre compresseur. On obtient alors un générateur de gaz, la puissance étant récupérée par la turbine d'échappement.

En pratique, dans un diesel 2-temps, l'échappement est ouvert avant l'admission. Les lumières ou les soupapes d'échappement sont ouvertes bien avant le PMB (point mort bas), entre 40° et 65° avant et la pression dans le cylindre à ce moment est encore de 3 à 10 bars (abs).

>>D'où le bruit épouvantable des Detroit-Diesel 2t que l'on trouve sur les tracteurs débardeurs forestier de marque Timberjack !

En ouvrant l'admission avant l'échappement, les gaz de combustion vont refluer dans l'admission puisque la pression dans le cylindre sera de toute manières plus forte que celle de l'air comprimé qu'on voudrait y

>> La pression résiduelle sera plus faible, voir mon explication plus bas.

introduire, sans compter que même si on y arrivait une bonne partie de l'air comprimé admis se barrera avec les gaz d'échappement et aura été comprimée en pure perte.

>> Non, car la soupape d'échappement (ou plutot purge de surpression) ne va s'ouvrir qu'au PMB.

Voir notamment le diagramme de distribution dans cette page apparemment pas mal du tout :
http://www.dieselduck.ca/machinery_page ... ine.01.htm


Une idée qui me paraît plus intéressante a été postée sur des forums par un certain John R. Jamieson, alias "XNASA":
http://www.automotiveforums.com/vbulletin/t100689.html

Cordialement,
Iguane

Merci pour ta réponse Iguane. Désolé si j'ai en partie modifé la citation, mais je voulais répondre point par point.
En fait ma solution peut aussi bien s'appliquer à un cycle Otto que Diesel, pour un moteur fonctionnant à régime fixe et pleine charge, par exemple en configuration flat twin (1 cylindre moteur et 1 cylindre compresseur) pour motoriser un hybride série.
Il s'agit ici d'utiliser les calories résiduelle des gaz d'échappement ainsi que celles habituellement évacuées par le système de refroidissement en les utilisant comme source chaude pour l'expansion de l'air comprimé injecté.
Les valeurs de 20 bars et mi-course que je donnais précédemment étaient tout a fait pifométriques, c'était juste pour donner une idée du principe.
Pour bien visualiser le concept, imagine un moteur diesel qui aurait un taux de compression de 40.1 mais dont la soupape d'admission ne se refermerait qu'a mi-course. En fin de compression, la pression et température serait donc identiques a celles d'un moteur de CR 20.1 de cylindrée moitié moindre et l'on injecterait une quantité de carburant divisée aussi par 2.
Lors de la détente, on aurait donc a mi-course des gaz a une pression et température identiques à celles d'un moteur normal au point mort bas ( donc P largement <20 bars ! ).
Donc plein de chaleur que l'on va faire mettre a profit en injectant (une simple électrovanne pourrait se substituer à la soupape d'admission, un jet pourrait refroidir la culasse, un autre pourrait être injecté tengentiellement au cylindre et cheminer le long de la paroi par effet Coanda) de l'air comprimé ( provenant d'un compresseur si possible isothermal ) et qui aura encore la moitié de la course pour effectuer du travail mécanique lors de sa détente.
Pour résumer, on a une combinaison Diesel-Atkinson de la compression du comburant jusqu'a la mi-détente ainsi que Brayton à partir de l'injection d'air comprimé.
Une petite animation en SVG ou Flash permettrait de démontrer le principe, mais j'ai la flemme...
Un petit lien intéressant : Afterburning Ericsson Cycle Engine http://www.proepowersystems.com/PROEHOME.HTM

Concernant le moteur XNASA, je lui vois quatres inconvéniants :

-les 2 cylindres fonctionnant de façon conventionnelle dissipent toujours de la chaleur dans le système de refroidissement.
-les conduits de transfert des gaz d'échappement sont aussi une source de pertes thermiques.
-les 2 cylindres utilisés pour la seconde détente sont de diamètre insuffisant et la pression des gaz est trop faible pour espérer récupérer beaucoup d''énergie.
-il faut 3 soupapes par cylindre ainsi qu'un conduit de transfert, donc concevoir une nouvelle culasse relativement complexe. Mon systéme ne nécessite qu'une soupape d'échappement et une électrovanne pour le cylindre moteur, et 2 simples clapets pour le compresseur ( on peut éventuellement lui adjoindre un échangeur thermique a fil fin FIWIHEX pour diminuer le puissance mécanique nécessaire a son entrainement).

[Iguane]

Youp, ce fil devient intéressant !

Or, à une pression de suralimentation (de balayage) de l'ordre de 8 bars,

>> Il me semble que la pression délivrée par un compresseur de type Roots est beaucoup plus faible.

Oui, bien sûr, au-dessus de 1 bar (2 bars abs) de pression d'admission, les compresseurs Roots ne sont pas intéressants: les compresseurs centrifuges, axiaux (comme sur le Napier Nomad, merci Jimfells !) ou à piston ont un bien meilleur rendement. Les générateurs de gaz dont je parlais sont en général des 2-temps à pistons opposés avec les pistons du compresseur directement couplés à ceux du diesel : il n'y a plus de bielles ni de vilebrequin.

A propos du Nomad, c'est moi qui ai inventé le principe, en 1981… mais je me suis vite aperçu que le Napier Nomad de 1954 fonctionnait exactement sur ce même principe et donc… ouais, bon… je n'avais rien inventé, mais au moins j'ai vu que mon idée était valable ! J'ai noté ses caractéristiques, voila les principales (toutes au niveau de la mer):

Compresseur axial à 12 étages avec aubes d'entrée à incidence variable, pression de sortie 6,13 bars (abs), puissance absorbée 1372 kW

Diesel 2-temps à 12 cylindres opposés sans soupapes, 41,1 litres, puissance max au vilo : 1984 kW (2660 hp) à 2050 tr/min , pme : 14,1 bars, pression de combustion: 152 bars

Turbine à 3 étages axiaux 1678 kW

Transmission entre vilo et turbo en division de puissance, 70% mécanique, 30% par variateur Beier, puissance perdue 15 kW

Puissance sur l'arbre d'hélice: 1983 kW (vilo) + 1678 kW (turbine) – 1372 kW (compresseur) – 15 kW (transmission) = 2274 kW, soit 16,2 bars de pme (équivalents à 32,4 bars pour un 4-temps). Poussée résiduelle à rajouter.

Csp sur arbre d'hélice à puissance max normale de 2274 kW (3050 hp) : 216 g/kW.h
Csp à 1500 kW (2000 hp) : 198 g /kW.

En pratique, dans un diesel 2-temps, l'échappement est ouvert avant l'admission. Les lumières ou les soupapes d'échappement sont ouvertes bien avant le PMB (point mort bas), entre 40° et 65° avant et la pression dans le cylindre à ce moment est encore de 3 à 10 bars (abs).

>>D'où le bruit épouvantable des Detroit-Diesel 2t que l'on trouve sur les tracteurs débardeurs forestier de marque Timberjack !

Oui, ces Detroit Diesel 2-temps étaient très courants en Amérique, sur les bus, les camions, les bateaux, les locomotives, etc. et ils ont un bruit typique, surtout les V12 ! Il n'y a pas que les énormes diesels marins qui sont des 2-temps, il y a aussi eu les Junkers Jumo 205 et dérivés, les Fairbanks-Morse, le légendaire Napier Deltic en triangle, des moteurs de chars d'assaut ukrainiens et britaniques, tous à pistons opposés. @Sceptique et E2100 : on pourrait très bien produire des petits pour voitures, mais il reste le problème de la consommation d'huile parce qu'il faut bien laisser passer un peu d'huile à travers les segments racleurs pour lubrifier les jupes de pistons.

une bonne partie de l'air comprimé admis se barrera avec les gaz d'échappement et aura été comprimée en pure perte.

>> Non, car la soupape d'échappement (ou plutot purge de surpression) ne va s'ouvrir qu'au PMB.

Je ne comprends pas: tu dis que l'admission d'air comprimé aurait lieu bien avant le PMB !? On est bien en cycle 2-temps là ?

Pour bien visualiser le concept, imagine un moteur diesel qui aurait un taux de compression de 40.1 mais dont la soupape d'admission ne se refermerait qu'a mi-course. En fin de compression, la pression et température serait donc identiques a celles d'un moteur de CR 20.1 de cylindrée moitié moindre et l'on injecterait une quantité de carburant divisée aussi par 2.

Là tu parles d'un cycle 4-temps style Atkinson ou Miller ? J'imaginais un 2-temps avec admission par lumières…

Un petit lien intéressant : Afterburning Ericsson Cycle Engine http://www.proepowersystems.com/PROEHOME.HTM

Très intéressant, merci, je ne connaissais pas.

Concernant le moteur XNASA, je lui vois quatres inconvéniants :

Oui, tout à fait, sauf que la cylindrée des deux cylindres utilisées en "compound" et en cycle 2-temps est le double de celle d'un des deux autres cylindres qui restent, eux, en 4-temps. Je n'aime pas trop non plus le concept de la 3ème soupape, mais il doit y avoir moyen de faire sans, en prévoyant deux conduits de transfert à travers la culasse, style EGR. Des vannes-clapets permettraient le fonctionnement en 4 cylindre normal ou en bicylindre compound. Un souci est, je pense, la charge thermique sur les cylindres compound, surtout en cycle Otto avec des temp. d'échappement allant jusqu'à 1000°C. En diesel ça irait mieux, plus cool (or less hot !).
C'est clair qu'il y aurait des pertes, mais il me semble que ce serait toujours mieux qu'un simple système de désactivation des cylindres : autant pousser un peu les pistons de ceux qui sont désactivés avec les gaz d'échappement de ceux qui restent en fonction, non ?

Cordialement,
Iguane

[jimfells]

J'ai trouvé deux éclatés du Nomad

http://barreau.matthieu.free.fr/cours/t ... hermo0.pdf

Je suis fan

.

[Iguane]

On va pouvoir fonder une association des fans du Napier Nomad ! Qui d'autre s'annonce ?

Fondamentalement, le système n'est pas très compliqué (même si le Nomad ressemble à une usine à gaz), il y a juste un variateur entre le turbocompresseur et le diesel pour que la puissance puisse circuler librement entre les deux dans un sens ou dans l'autre.

A haut régime du vilo, une turbine d'échappement développe plus de puissance que nécessaire pour comprimer l'air d'admission, d’où le montage de soupapes de décharge (waste-gate). Par contre, à bas régime du vilebrequin, c'est l'inverse. Avec une transmission continûment variable (CVT) entre le moteur et son turbocompresseur, le vilebrequin peut suppléer de la puissance à celle fournie par la turbine pour générer immédiatement la pression de suralimentation voulue lors d'une brusque augmentation de charge, et aussi à bas régime. Le délai de réponse ("turbo lag") et le trou à bas régime sont quasiment réduits à néant. Inversement, sous forte charge et à haut régime , l'excès de puissance de la turbine est récupéré (300 kW dans le cas du Nomad).

J'ai oublié de mentionner son taux de compression de 8 :1, extraordinairement bas pour un diesel, mais qui permettait plus de 6 bars de pression d'admission sans dépasser 152 bars de Pz. Il y avait des bougies et un système d'allumage pour permettre le lancement du moteur.

Je ne comprend pas pourquoi VW n'a pas adopté un principe analogue sur le 1.4 TSI plutôt qu'un compresseur Roots combiné en série avec un turbo, ce qui est encore plus compliqué, certainement plus cher, et ne permet pas de récupérer autant d'énergie perdue dans l'échappement - d'autant qu'il y a en plus à récupérer à avec un moteur essence qu'avec un diesel.

On peut aussi mettre un petit moteur-générateur sur l'arbre du turbo, idéal pour une hybride. Ca fait bien 15 ans qu'on en parle et que des moteurs protos (Caterpillar) tournent en turbocompounding électrique, mais pas de production à l'horizon… Bon sang, que ça va long… le carburant n'est pas assez cher. Ah, on l'a déjà dit ici ?

[Silenius]

Je ne comprends pas: tu dis que l'admission d'air comprimé aurait lieu bien avant le PMB !? On est bien en cycle 2-temps là ?

Avant le point mort bas physique, oui. Mais je considère la mi-course où les gaz de combustion ont atteint des conditions identiques à celles d'un Diesel à son PMB réel comme un PMB intermédiaire, virtuel. C'est là qu'on injecte l'air comprimé.

Là tu parles d'un cycle 4-temps style Atkinson ou Miller ? J'imaginais un 2-temps avec admission par lumières…

Je ne sais pas comment définir ce genre de cycle. Dans le cylindre moteur il y a 1 cycle moteur par révolution, et même deux, si l'on considère l'expansion normale des gaz de combustion et l'expansion de l'air comprimé grace aux calories normalement perdue comme 2 évènements générateurs de puissance distincts... Mais bien entendu, le cylindre compresseur ne génère aucun temps moteur.

Je pense que ce concept est facilement testable par un particulier. Si vous avez un monocylindre diesel avec inj. indirecte, vous retirez la bougie de préchauffage et la remplacez par un injecteur d'air, avec 1 électrovanne commandée par un microcontrolleur. Pour l'air comprimé, vous pouvez utiliser un gros compresseur d'atelier.
L'idéal serait un Lister CS (cold start), 6 cv a 650 tr/min, toujours fabriqués en Inde. Il n'y a pas de préchauffage, mais une change-over valve, qui permettait d'augmenter le taux de compression pour démarrer (à la manivelle! ) facilement à froid avec des carburants pourris. Avec le carburant moderne, on n'en a plus besoin, les constructeurs ont viré la valve et mis 1 simple bouchon dévissable, on peut ainsi nettoyer la préchambre (c'est si vous brulez de l'huile de palme!). Ils font même un monocylindre de 25 cv qui pèse prés d'une tonne. Longévité : plusieurs dizaines de milliers d'heures ! Certains sont en fonctionnement depuis plus de 50 ans.
Moteurs Lister aux USA : http://utterpower.com/
en allemagne http://www.listeroid.de/

[jimfells]

[HS]

Incroyable ce Deltic.




http://en.wikipedia.org/wiki/Napier_Deltic

Il a été industrialisé à petite échelle pour l'armée qui voulait un excellent rapport encombrement/poids/puissance sur certaines navettes, ainsi qu'une consommation réduite rapport aux anciennes mototisations marines dérivées des moteurs d'avions très énergivores.

http://www.ptfnasty.com/ptfDeltic.html


Le pdf suivant donne les spec constructeur :

http://www.intertrader.net/delticintroduction.pdf

Mais je n'arrive pas à comprendre la consommation (page 7/9 du pdf) : 9Imp.pint/hr ?

[/HS]