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WO 98/32963 PCT/FR98/00109
PROCEDE ET DISPOSffIF DE RECUPERATION DE L'ÉNERGIE THERMIQUE
AMBIANTE POUR VEHIC.'ULE E~!UIPE DE MOTEUR DÉPOLLUE A INJECTION
D' A1F; COMPRIME ADDITIONNEL
L'invention concerne les véhicules terrestres et plus particulièrement ceux
équipés avec
des moteurs dépollués ou dépolluants à chambre de combustion indépendante ou
non, fonctionnant
avec injection d'air comprimé. additionnel, et comportant un réservoir d'air
comprimé haute
pressron.
L'auteur a décrit dans sa dE:mande de brevet publié WO 96127737 un procédé de
dépollution de moteur à chamhre de combustion externe indépendante,
fonctionnant suivant un
principe bi-modes à deux type: d'énergie, utilisant soit un carburant
conventionnel tel essence ou
gasoil sur route (fonctionnement mono-mode à aix-carburant), soit, à basse
vitesse, notamment en
zone urbaine et suburbaine, une: addition d'air comprimé dans la chambre de
combustion (ou tout
autre gaz non polluant) à l'exclusion de tout autre carburant, (fonctionnement
mono-mode à air,
c'est à dire avec addition d'air comprvrré). Dans sa demande de brevet FR
9607714, l'auteur a
décrit l'installation de ce type de moteur en fonctionnement mono-mode, avec
addition d'air
comprimé, sur les véhicules de services, par exemple des autobus urbains.
Dans ce type de moteur, en mode air-carburant, le mélange air carburant est
aspiré et
comprimé dans une chambre d'aspiration et de compression indépendante. Puis ce
mélange est
transféré, toujours en pression, dans une chambre de combustion indépendante
et à volume
constant pour y être enflammé ;ifin d'augmenter la température et la pression
dudit mélange. Après
l'ouverture d'un transfert reliant ladite chambre de combustion ou d'expansion
à une chambre de
détente et d'échappement, ce mélange sera détendu dans cette dernière pour y
produire un travail.
Les gaz détendus sont ensuite évacués à l'atmosphère à travers un conduit
d'échappement.
2S En fonctionnement à air plus air comprimé additionnel qui nous intéresse
plus
particulièrement dans le cadre cïe l'invention, à faible puissance,
/'injecteur de carburant n'est plus
commandé ; dans ce cas, l'on introduit dans la chambre. de combustion,
sensiblement après
l'admission dans cette derzriène de L'air comprimé -sans carburant- provenant
de la chambre
d'aspiration et de compression, une petite quantité d'air comprimé additionnel
provenant d'un
réservoir externe où /'air est stocké sous haute pression, par exemple 200
bars, et à la température
ambiante. Cette petite quantité .d'air comprimé à température ambiante va
s'échauffer au contact de
la masse d'air à haute température contenue dans la chambre de combustion ou
d'expansion, va se
dilater et augmenter la pression régnant clans la chambre pour permettre de
délivrer lors de la
détente un travail moteur.
3S Ce type de moteur bi-modes ou bi-énergies (air et essence ou air et air
comprimé
additionnel) peut également être modifié pour une utilisation préférentielle
en ville par exemple sur
tous véhicules et plus particulièrement sur des autobus urbains ou autres
véhicules de services
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(taxis bennes à ordures etc..), en mono-mode air-air comprimé additionnel, par
suppression
de tous les éléments de fonctionnement du moteur avec le carburant
traditionnel.
Le moteur fonctionne seulement en mono-mode avec l'injection d'air comprimé
addirionnel dans la chambre de combustion qui devient ainsi une chambre
d'expansion. En
outre, l'air aspiré par le moteur peut être filtré et purifié à travers un ou
plusieurs filtres à
charbon ou autre procédé mécanique, chimique, tamis moléculaire, ou autres
filtres afin de
réaliser un moteur dépolluant. L'emploi du terme « air » dans le present texte
s'entend « tout
gaz non polluant ».
Dans ce type de moteur, l'air comprimé additionnel est injecté dans la chambre
de combustion ou d'expansion sous une pression d'utilisation déterminée en
fonction de la
pression régnant dans la chambre et sensiblement plus élevée que cette
dernière, pour
permettre son transfert par exemple 30 bars. Pour ce faire il est utilisé un
détendeur de type
conventionnel qui effectue une détente sans travail n'absorbant pas de
chaleur, donc sans
abaissement de température permettant ainsi d'injecter dans la chambre de
combustion ou
d'expansion un air détendu (au environ de 30 bars dans notre exemple) et à
temperature
ambiante.
Ce procédé d'injection d'air comprimé additionnel petit également être utilisé
sur
des moteurs conventionnels 2 ou 4 temps ou ladite injection d'air comprimé
additionnel est
effectué dans la chambre de combustion de moteur sensiblement au point mort
haut allumage.
Le procédé suivant l'invention, propose une solution qui permet d'augmerner la
quantité d'énergie utilisable et disponible. Il est caractérisé par les moyens
mis en oeuvre et
plus particuliérement par le fait que, l'air comprimé contenu dans le
réservoir de stockage
sous trés haute pression, par exemple 200 bars, et à température ambiante, par
exemple 20
degrés, préalablement à son utilisation finale à tine pression inférieure par
exemple 30 bars,
est détendu à une pression proche de celle nécessaire à son utilisation fmale,
dans un système
à volume variable, par exemple tin piston dans un cylindre, produisant un
travail qui peut être
récupéré et utilisé par tous moyens connus, mécanique, électrique, hydrauuique
ou autre.
Cette détente avec travail a pour conséquence de refroidir à trés basse
température, par
exemple moins 100° C, l'air comprimé détendu à une pression proche de
celle d'utilisation.
Cet .air comprimé détendu à sa pression d'utilisation, et à trés basse
température est ensuite
envoyé dans tin échangeur avec l'air ambiant, va se réchauffer jusqu'à une
température proche
de la température ambiante, et va augmenter ainsi sa pression etlou son
volume, en récupérant
de l'énergie thermique empruntée à l'atmosphère.
La présente invention a donc pour aspect un procédé de récupération d'énergie
thermique environnante pour moteurs ou véhicules équipés de moteurs dépollués
ou
dépolluant fonctionnant avec injection d'air additionnel dans la chambre de
combustion ou
d'expansion et ayant un réservoir de stockage d'air comprimé haute pression
caractérisé en ce
que l'air comprimé contenu dans le réservoir de stockage haute pression, est,
préalablement à
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2a
son utilisation finale à pression inférieure, détendu à une pression proche de
celle nécessaire à
son utilisation finale, dans un système à volume variable, par exemple un
piston dans un
cylindre, produisant un travail qui a pour conséquence de refroidir à basse
température l'air
comprimé ainsi détendu et en ce que cet air comprimé et détendu à sa pression
d'utilisation est
envoyé dans un échangeur thermique, pour se réchauffer, et augmenter ainsi sa
pression et/ou
son volume par récupération d'un apport d'énergie thermique.
Les avantages de ce procédé suivant l'invention sont considérables, d'une part
il
est produit un travail, lors de la détente, qui peut être utilisé soit
directement sur l'arbre
moteur, soit indirectement, par exemple en entraînant des accessoires
mécaniques électriques
ou autres, et d'autre part, l'on récupère un apport d'énergie thermique
gratuite en utilisant la
température de l'atmosphère qui provoque une augmentation de pression et/on de
volume de
l'air et par voie de conséquence, augmente l'autonomie d'utilisation.
L'homme de l'art petit calculer la quantité d'air trés haute pression à
fournir au
système de détente avec travail, de méme que les caractéristiques et volumes
de ce dernier
afin
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d'obtenir en fin de cette détente avec travail. la pression d'utilisation
finale choisie et la température
Ia plus froide possible et ce, en fbnction d.e l'utilisation du moteur. Une
gestion électronique des
paramètres permet d'optimiser à tous moments les quantités d'air comprimé
utitisées et récupérées.
L'homme de l'art peut également calculer Ie dimensionnement et les
caractéristiques de
l'échangeur thermique qui peut utiliser tous, concepts connus dans ce domaine
sans changer le
procédé de l'invention.
II est également possible selon le procédé de l'invention d'utiliser
partiellement ou
non, et de réchauffer tout ou partie de l'air détendu et à basse température,
sur tes zones chaudes du
moteur par exemple dans !e système de refiroidissement des cylindres etlou de
la culasse ou autre.
t0 Selon une autre caractéristique de l'invention, le travail effectué par la
détente est
utilisé pour réaliser une assistance pneumatique à un système de
surcompression des gaz dans la
chambre de combustion ou d'expansion.
Selon une autre caractéristique; de l'invention, le système de détente avec
travail peut
ëtrc utilisé pour produire de l'c:lectricité par exemple un noyau mobile dans
un enroulement,
remplaçant avantageusement l'alt:ernateur ciu véhicule
Selon une autre caractéristique: du procédé de L'invention, l'échangeur air-
air peut être
aménagë pour climatiser le véhicule en été, par soufflage et distribution dans
le véhicule de l'air de
réchauffage qui se refroidit en traversant le: radiateur et en cédant ses
calories à l'air détendu.
En outre les caractéristiques particulières d'utilisation de l'invention qui
viennent d'être
'20 décrites ci-dessus peuvent être combinées sans pour autant cn changer le
principe. par exemple Ic
réchauffage de l'air frais détendu peut ëtre effectué en deux étages avec
d'une part de l'air
atmosphérique puis du refroidissement ou vice versa, de mëme qu'il est
possible de récupérer en
début de course de l'énergie électrique puis ~'tt fin de course de l'énergie
mécanique d'assistance.
Il est également possible d'effectuer l'opération de détente avec travail en
deux ou
plusieurs opérations telle que, ttne détente avec travail (utilisée par tous
moyens connus) à une
pression intermédiaire puis réchauffage dans un échangeur air air, avant une
nouvelle détente avec
travail (également utilisée par tous moyens connus) et réchauffage.
D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaïtrons à la
lecture de la
description à titre non limitatif de plusieurs modes de réalisations
particulières faites en regard des
3o dessins ant~cés où:
- La figure 1 représente schématiquement, vu en coupe transversale, un moteur
dépollué équipé d'un dispositif d'assistance pneumarique à la commande d'un
piston do
surcompression.
- La figure 2 représente le mëme dispositif en début de détente moteur.
- La figure 3 repré:~ente le même dispositif en fin de détente moteur.
- La figure 4 représente un dispositif pneumatique générateur d'énergie
électrique.
- La figure 5 relarésente un dispositif pneumatique mixte générateur d'énergie
électrique et mécanique.
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- La figure 6 représente schématiquement, vu en coupe transversale, un
dispositif de
récupération d'énergie thermique environnante directement utilisée sur l'arbre
moteur.
La figure 7 représente schématiquement un dispositif d'utilisation dc
l'échangeur
permettant la climatisation du véhicule.
La ftgime 1 représente. schématiquement, vu en coupe transversale, un moteur
dépollué et son installation d'alimentaüon en air comprimé, comportant une
chambre d'aspiration
et de compression 1, une chambre de combustion ou d'expansion, 2 à volume
constant dans
laquelle est implanté un injecteur d'air additionnel 22 alimenté en air
comprimé stocké dans un
réservoir très haute pression 23 et une chambre de détente et d'échappement 4.
La chambre
l0 d'aspiration et de compression 1 est reliée à la chambre de combustion ou
d'expansion 2 par un
conduit 5 dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un volet
étanche b. La chambre de
combustion ou d'expansion 2 est reliée à la chambre de détente et
d'échappement 4 par un conduit
ou transfert 7 dont l'ouverture et 1a fermeture sont commandées par un volet
étanche 8. La
chambre d'aspiration et de compression 1 est alimentée en air par un conduit
d'admission 13 dont
1 S l'ouverture est commandée par une soupape 14 et, en amont duquel est
implanté un filtre à charbon
dépolluant 24.
La chambre d'aspiration et de compression 1 fonctionne comme un ensemble de
compresseur à piston où un piston 9 coulissant dans un cylindre I O est
commandé par une bielle 11
et un vilebrequin 12. La chambre de détente et d'échappement 4 commande un
ensemble classique
20 de moteur à piston avec un piston 15 coulissant dans un cylindre 16, qui
entraîne par
l'intermédiaire d'une bielle 17 la rotation d'un vilebrequin 18. L'échappement
de l'air détendu
s'effectuant à travers un conduit d'échappement I9 dont l'ouverture est
commandée par une
soupape 20. La rotation du vilebrequin 12 de la chambre d'aspiration et de
compression 1 est
commandée à travers une liaison mécanique 21 par le vilebrequin moteur 18 de
la chambre de
25 détente et d'échappement 4.
Selon l'invention, dans la chambre de combustion 2 est ménagé un volume de
surcompression constitué d'un cylindre 25 dans lequel se meut un piston 26,
dont les déplacements
sont commandés par un levier à pression 27 et 28. Entre le levier à pression
et sa came de
commande 29 entraînée en rotation par le moteur et phasé avec ce dernier, est
positionné un
30 dispositif d'assistance. Ce dispositif d'assistance est constitué d'un
piston 30 coulissant dans un
cylindre 31 fermé des deux côtés, le piston 30 étant relié par une tige 32 à
un roulement 33 qui
porte sur la came de commande 29 et d'autre part par un système de tige et
bielle 34 au levier à
pression 27,28 de commande du piston surpresseur 26. Le piston 30 détermine
donc dans le
cylindre deux chambres étanches 35 et 36, une chambre de détente et de travail
35 du côté de la
35 came 29, et une chambre de contre pression 36 du côté du levier à,
pression. Un conduit
d'admission d'air haute pression 37 débouche dans la chambre de détente et de
travail 35,
l'ouverture et la fermeture de ce conduit est commandée par une électrovanne
38. Un conduit
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d'échappement 39 débouche également clans la chambre de détente et de travail
35, l'ouverture et
la fermeture de ce conduit étamt commande',es par une électrovanne 40. Le
conduit d'échappement
39 est relié d'aune part à un échangeur thermique air air ou radiateur 41 lui-
même relié par un
conduit 42 à une capacité tampon à pression finale d'utilisation quasi
constante 43. La chambre de
contre pression 36 est reliée à travers un conduit 44 à la capacité tampon 43
qui alimente également
par un conduit 45 l'injecteur d'~3ir additionnel 22.
Lors du fonctionnement du moteur en mode air air comprimé additionnel fig' 1,
le
piston de compression vient de refouler dans la chambre d'expansion 2 de l'air
comprimé à haute
température, alors que le piston de surcompression 26 est à son point mort
bas, l'injecteur
t0 additionnel 22 est alors conunuté pour injecter dans la chambre une petite
quantité d'air
additionnel à tempérariire ambiante et à tune pression légèrement supérieure à
celle régnant dans la
chambre d'expansion 2. Une première: ;augmentation de pression est alors
constatée dans la
chambre d'expansion 2. L'élec;trovanne 38 commandée par un calcuiateur s'ouvre
pour admettre
une petite quantité d'air à très haute pre<.csion et à température ambiante,
provenant du réservoir de.
15 stockage 23 puis se referme alors que simultanément, ta came 29 commence à
repousser le piston
d'assistance 30. L'air comprimé très haute pression qui a été admis dans la
chambre de détente et
de travail 3S va repousser le piston d'assistance 30, qui va lui-même, par
l'intermédiaire des rige et
bielle 34 et du levier à pression 27,28 repousser à son point mort haut le
piston de surcompression
26 augmentant encore la pression dans la chambre d'expansion 2.
20 Durant la course du piston d'assistance 30, l'air comprimé contenu dans la
chambre
d'assistance 35 va se détemire en produisant un travail et subir une
importante baisse de
température, sa pression en fin de course étant sensiblement égale à la
pression de l'air contenu
dans la chambre de contre pression 36. 'Dwant ces opérations, te piston moteur
15, commandant la
chambre de détente 4 est arriéré à son point mort haut, fig 2, et le volet
étanche 8 est ouvert pour
25 permettre ta détente de l'air comprimé contenu dans la chambre d'expansion
2 et produire le travail
moteur. La came 29 maintient durant cette détente le piston de surcompression
26 à son point mort
haut, et du fait du levier à yression lc;s forces dues à la pression de la
chambre 2 ne sont pas
retransmises à la came 29 de même que les pressions sensiblement égales dans
la chambre
d'assistance 3S et la chambre de contre pression 36 n'exercent aucun couple
sur ladite came.
30 La détente fournissant le travail moteur dans la chambre de détente et
d'échappement 4
étant effectuée, Fig 3, le volet étanche 8 est refermé. La came 29, dans sa
rotarion autorise à
nouveau le déplacement du piston d'assistance, le volet étanche 6 s'ouvre pour
permettre
l'admission d'une nouvelle. charge dans la chambre de combustion ou
d'expansion 2,
l'électrovanne 40 s'ouvre; sollicité par le ressort de rappel 46 et par la
pression dans la chambre 2
35 le piston d'assistance 30 va :rejoindre sa position initiale refoulant dans
l'échangeur air air, ou le
radiateur 41 l'air comprimé mais détendu et à basse température contenu dans
la chambre
d'assistance 35. Cet air va ainsi, grâce à l'échangea, se réchauffer jusdn'à
une température proche
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de l'ambiante et augmenter de volume en rejoignant la capacité tampon 43 en
ayant récupéré une
quanrité d'énergie non négligeable dans l'atmosphère.
Selon une caractéristique du procédé de l'invention la détente avec travail
peut être
utilisée pour fournir de l'énergie électrique au véhicule. Un exemple de
dispositif pour la mise en
oeuvre de ce procédé est dessiné sur la figure 4 où l'on peut voir un
dispositif très semblable au
dispositif d'assistance décrit ci-dessus et ayant de nombreux points communs
avec ce dernier,
constitué d'un piston 30 coulissant dans un cylindre 3l fermé des deux côtés.
Le piston 30 est
solidaire d'une tige 34 qui porte un noyau de ferrite 49 passant à l'intérieur
d'un enroulement 50. et
dont l'extrémité est reliée à un ressort de rappel 46. Le piston 30 détermine
donc dans le cylindre
deux chambres étanches 35 et 36, une chambre de détente et de travail 35, et
une chambre de
contre pression 36 du coté de la tige 34. Un conduit d'admission d'air haute
pression 37 débouche
dans la chambre de détente et de travail 35, l'ouverture et la fermeture de ce
conduit sont
commandées par une électrovanne 38. Un conduit d'échappement 39 débouche
égaiement dans la
chambre de détente et de travail 35, l'ouverture et la fermeture de ce conduit
étant commandées
par une électrovanne 40. Le conduit d'échappement 39 est relié d'autre part à
un échangeur
thermique air air ou radiateur 41 lui-même relié par un conduit 42 à une
capacité tampon à pression
finale d'utilisation quasi constante 43. La chambre de contre pression 36 est
reliée à travers un
conduit 44 à la capacité tampon 43 qui alimente également par un conduit 45
l'injecteur d'air
additionnel 22.
Lors du fonctionnement du moteur en mode air comprimé, selon le procédé de
l'invention, et en fonction de la consommation d'air comprimé par l'injecteur
d'air additionnel 22,
l'électrovanne 38 est ouverte puis refermée pour admettre une charge d'air
comprimé très haute
pression dans la chambre 35. Sollicité par Ia différence de pression entre les
chambres 35 et 36, 1c
piston 30 se déplace en comprimant le ressort 46 en entraînant par sa tige 34
le mouvement du
~5 noyau de ferrite 49 dans l'enroulement 50, produisant ainsi un courant
électrique. La détente avec
travail de la charge d'air comprimé haute pression à température ambiante
produit un abaissement
de la température. Lorsque l'on atteint l'équilibre de pression ou plutôt
d'effort entre les chambres,
l'électrovanne 40 est ouverte et poussé par Ie ressort de rappel 46, le piston
30 et le noyau de
ferrite 49 retrouvent leur position initiale refoulant dans l'échangeur air
air, ou le radiateur 41, l'air
comprimé mais détendu et à très basse température contenu dans la chambre de
pression et de
détente 35. Cet air va ainsi, grâce à l'échangeur, se réchauffer jusqu'à une
température proche de
l'ambiante et augmenter de volume en rejoignant la capacité tampon 43 en ayant
récupéré une
quantité d'énergie non négligeable dans l'atmosphère.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les deux dispositifs décrits
ci-dessus
peuvent également être avantageusement combinés, en effet la pression est
maximale en tout début
de course du piston 30, alors que l'effort nécessaire pour faire fonctionner
le levier à pression est
moins important. Ce dispositif, ainsi combiné, est décrit figure 5 où l'on
peut voir entre le système
d'assistance et le levier à pression tes que décrits sur les figures 1 à 3,
impiarrté sur la tige de
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commande 34 un noyau de ferrite 49 coulissant dans un enroulement de fil de
cuivre S0, similaires
à ceux décrits sw la figure 4. Lors du! fonctionnement il devie:nL donc
possible de pouvoir
récupérer de l'énergie ëlectrique au début de la course dans des enroulements
50 préws à cet effet,
puis de fonctionner ensuite, selon le mode; décrit sw les figwes 1 à 3.
Selon une des caractéristiques préférentielles de l'invention, un autre
dispositif
d'application et de mise en oe;uvre du procédé de l'invention est montré sur
la figure 6 où la
détente produit un travail qui peut directement être utilisé sur l'arbre
moteur, où un ensemble biellé
53 et piston de travail S4, est attelé directement sur l'arbre moteur 18. Ce
piston 54 coulisse dans
un cylindre borgne SS et détermine une chambre de travail 35 dans laquelle
débouche d'une part
un conduit d'admission d'air haute pression 37 dont l'ouverture et la
fe:rmetwe sont commandées
par une électrovanne 38, et d'autre part un conduit d'échappement 39 relié à
l'échangeur thermique
air air ou radiatew 41 lui-mêmie relié p~uï un conduit 42 à une capacité
tampon à pression finale
d'utilisation quasi constante 43. Lors du fonctionnement lorsque le piston de
travail 54 est à son
point mort haut, l'électrovanne 38 est ouverte puis refermée afin d'admerire
une charge d'air
comprimé très haute pression qui va se dïétendre en repoussant le piston 54
jusqu'à son point mort
bas et entraïner par /'intermédiaire de la bielle 53 !e vilebrequin moteur 18.
Lors de la course de
remontée du piston 54, l'électrovanne d"échappement 40 est alors ouverte et
Pair comprimé mais
détendu et à très basse températwe contenu dans la chambre de travail est
refoulé dans l'échangeur
air air ou radiatew 41. Cet air va ainsi sc; réchauffer jusqu'à une
température proche de l'ambiante
et augmenter de volume en rejoignant la capacité tampon 43 en ayant récupéré
une quantité
d'énergie non négligeable dans l'atmosplnèxe.
La figure 7 représente, w e;n perspective, un échangeur thermique air-air 41
tel que
décrit sur les figwes précédentes, équivpé selon le dispositif de mise en
oeuvre du procédé de
l'invenrion décrit ci-après, polo climatiser le véhicule avec un conduit
d'arrivé d'air à très basse
température 39 et un conduit de départ après réchauffage de l'air 42 pour son
utilisation finale,
l'air de l'atmosphère destiné à le réchauff~.~r est collecté à travers un
conduit 55 et soufflé à travers
le radiatew par un ventilatew '-.G. En cédlant ses calories à l' air comprimé
contenu dans le radiateur,
l'air de l'atmosphère se refroidit et est collecté dans un conduit 56 ou un
volet mobile 57 permet
d'en diriger tout ou partie suivant son ouverture, vers l'habitacle du
véhicule pow en asswer la
climatisation. La régulation du flux d'ai:r réfrigéré peut ëtre opérée selon
tous moyens connus en ce
domaine tel que masque sur le radiateur,. volets, addition d'air chaud etc...
sans pour autant changer
le principe de cette caractéristique de l'inve:ntion. Ce dispositif peut être
utilisé en combinaison
avec les autres dispositifs décrits précédenurrent sans changer pow autant le
principe de l'invention
qui vient d'être décrite.
