Brevet FR2561714A1 — publié le 19850927

1. La présente invention concerne des perfectionne- ments à la culasse à éléments chauffants d'un moteur à gaz chauffé en particulier d'un moteur Stirling. La culas- se à éléments chauffants est du type comportant un faisceau de tubes de chauffage reliant un cylindre à un logement de récupérateur via un collecteur situé à l'un ou l'autre côté du cylindre, au côté logement du récupérateur ou aux deux cotés du cylindre et du logement du récupérateur. Dans un moteur Stirling, le carburant injecté à partir d'un ajutage de pulvérisation est mélangé à l'air et le mélange air-carburant est brûlé dans une chambre de com- bustion. Un faisceau de tubes de chauffage constituant une partie de la culasse du moteur et reliant un cylindre au logement d'un récupérateur est chauffé par les gaz de com- 1, bustion avant leur sortie de la chambre de combustion. Dans une configuration typique, les tubes de chauffage sont connectés, à l'une de leurs extrémités, à un collecteur du côté cylindre et, à leur autre extrémité, à un collecteur du côté logement du récupérateur. Un gaz de travail enfermé dans les tubes de chauffage est animé d'un mouvement de 2. va-et-vient entre le cylindre et le logement de récupéra- teur via les collecteurs et prélève l'énergie thermique abandonnée par les gaz de combustion dans la chambre de combustion. De manière à obtenir une répartition uniforme du courant gazeux de travail qui circule dans les tubes de chauffage, des aubes permettant de redresser le courant sont prévues à proximité des orifices de connexion des collecteurs, là o ceuxci sont reliés au cylindre et au logement du récupérateur. o10 Une culasse à éléments chauffants de ce type de l'art antérieur, soulève un certain nombre de problèmes qui proviennent de la configuration particulière des liaisons entre les collecteurs et le cylindre ou le logement du récu- pérateur. Plus spécifiquement, la partie de chaque collec- teur o la connexion est réalisée définit un passage pour fluide qui est limité du côté cylindre ou logement et a une largeur beaucoup plus grande du côté tubes de chauffa- ge. Ces parties de liaison amplifient l'influence de l'inertie du gaz de travail et provoquent une variation brutale du sens du courant gazeux de travail, en particu- lier lorsque le moteur fonctionne à grande vitesse. Comme un tel changement du sens du courant rencontre une résistance considérable, il y a une perte de pression plus grande et une répartition du débit qui favorise les tubes de chauf- fage aux deux extrémités de chaque collecteur. Le résul- tat final est une diminution de la puissance développée par le moteur. Un autre inconvénient de la culasse à éléments chauffants classique est que les collecteurs sont consti- tués séparément du cylindre et du logement du récupérateur et doivent être soudés à ces unités tout en ayant une posi- tion extrêmement précise. Cette opération est suivie du perçage de trous dans les collecteurs de manière à insé- rer les tubes de chauffage. Une telle construction implique de nombreuses étapes de fabrication, des coûts d'usinage élevés et un certain nombre de soudures qui peuvent avoir un 3. effet néfaste sur la fiabilité et la durabilité. Un autre inconvénient rencontré dans l'art anté- rieur est la nécessité de faire appel à des aubes de redres- sement de courant. Pour installer ces aubes, il est néces- saire de percer des trous dans les collecteurs, puis de pro- céder à des travaux de soudure pour leur installation. Il en résulte des coûts d'usinage élevés et des problèmes de fiabilité. Un objet de la présente invention est d'éliminer les problèmes précédents qu'on rencontre dans l'art anté- rieur. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une culasse à éléments chauffants pour moteur à gaz chauffé, culasse qui est caractérisée par une réparti- tion uniforme du débit du gaz de travail, avec une faible chute de pression du gaz dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur. Un autre objet de la présente invention est une culasse à éléments chauffants de moteur à gaz chauffé, qui soit très fiable, durable et ne nécessite que peu d'étapes de fabrication, à des colts plus faibles grâce au nombre moins grand de parties et soudures individuelles. Selon la présente invention, on atteint les ob- jets précédents dans une culasse à éléments chauffants de moteur à gaz chauffé, comprenant un cylindre, un logement de récupérateur,un premier collecteur en une pièce avec le cylindre, et unsecond collecteur en une pièce avec le loge- ment du récupérateur, et des tubes de chauffage reliant le cylindre et le logement de récupérateur via les collecteurs. Chaque collecteur est élargi dans le sens longitudinal du côté des tubes de chauffage de sorte qu'un canal pour gaz de travail défini par sa paroi intérieure a une largeur longitudinale supérieure au diamètre intérieur du cylindre ou logement du récupérateur correspondant dont le collec- 33 teur forme une partie intégrale. La paroi intérieure de cha- que collecteur assure une transition régulière, progressive 4. et successive entre la partie plus large du collecteur du côté tubes de chauffage et la paroi intérieure du cylindre ou du logement du récupérateur correspondant plus étroit, sans créer un obstacle brutal dans le canal. Il en résulte que la variation de la surface en coupe du canal du gaz de travail ou de la direction du courant gazeux de travail se produit d'une manière régulière et progressive. Dans une variante de l'invention, des trous d'insertion prévus dans une face extrême du collecteur dans le but de rece- voir les extrémités des tubes de chauffage respectifs qui y sont insérés sont disposés en deux rangées, de sorte que les extrémités des tubes peuvent être disposées en deux ran- gées. Cela permet de réduire la longueur longitudinale du collecteur. Par suite de la construction précédente de la présente invention,le canal de passage du gaz de travail entre le cylindre et les tubes de chauffage et entre le lo- gement du récupérateur et les tubes de chauffage modifie le débit du gaz de travail d'une manière régulière et sans à coups de manière à uniformiser la répartition du débit et réduire laperte de pression du gaz de travail en parti- culier lors d'un fonctionnement du moteur à grande vitesse. Comme les collecteurs sont constitués de parties intégrales du cylindre et du logement du récupérateur et donc exempts des parties limitées de liaison qui étaient nécessaires dans l'art antérieur, il y a un volume mort moins grand à l'intérieur des tubes de chauffage, donc une augmentation de la puissance développée par le moteur. En outre, contrairement à l'art antérieur dans lequel les collecteurs sont séparés du cylindre et du logement du ré- cupérateur, soudés au cylindre et au logement, puis usinés de manière à fournir les trous d'insertion pour les tubes de chauffage, dans la présente invention, les collecteurs sont en une pièce avec le cylindre et le logement du ré- cupérateur et comportent les trous d'insertion. Cela im- plique un nombre moins grand d'étapes de fabrication, des 5. colts d'usinage plus faibles et une soudure en moins par collecteur, cette dernière caractéristique renforçant la fiabilité et la durabilité.Un autre avantage de la présen- te invention est que les aubes de redressement du courant, qui sont nécessaires dans l'art antérieur, peuvent être éliminées,d'o une nouvelle réduction des coûts d'usinage et une nouvelle amélioration de la fiabilité. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins O10 ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'une culasse à éléments chauffants d'unmoteur à gaz chauffé selon l'art antérieur; La figure 2 est une vue en coupe agrandie plus détaillée, de la manière avec laquelle les éléments chauf- fants (tubes) sont reliés à un cylindre et à un logement de récupérateur via des collecteurs dans la culasse de l'art antérieur représentée en figure 1; La figure 3 est une vue en coupe agrandie d'une partie de la figure 2 et représente la liaison entre les tubes de chauffage et le cylindre via le collecteur corres- pondant; La figure 4 est une vue en coupe d'un mode de réalisation préféré d'une culasse à éléments chauffants d'un moteur à gaz chauffé selon la présente invention; La figure 5 est une vue en coupe agrandie, plus détaillée,de la manière avec laquelle les éléments (tubes) de chauffage sont reliés à un cylindre et à un logement de récupérateur via des collecteurs dans la culasse de la figure 4; La figure 6 est une vue en perspective d'une va- riante de l'invention dans laquelle les extrémités des éléments (tubes) de chauffage reliées à un collecteur sont disposées en deux rangées; et La figure 7 est une vue en coupe agrandie d'une 7. trouvent des aubes 10, 11 redressant le courant, grâce auxquelles on essaye d'uniformiser la répartition du débit du gaz de travail circulant dans les tubes de chauf- fage 5. Comme représenté en figure 2, les collecteurs 3, 4 comportent des parties 3b, 4b auxquelles sont faites les connexions au cylindre 1 et au logement 2 du-récupérateur, respectivement. La configuration classique des collecteurs est telle qu'un canal intérieurement limité, que traverse le gaz de travail, est formé entre une zone ayant une lar- geur considérable du côté conduites de chauffage et une zone ayant une largeur très réduite du côté o a lieu la liaison avec le cylindre 1 ou le logement 2, c'est-à-dire au droit de la partie de liaison 3b ou 4b. Cela est le mieux représenté en figure 3, qui illustre la liaison entre les conduites de chauffage 5 et le cylindre 1, via le collecteur 3. Par suite de la forme irrégulière du ca- nal de passage du courant gazeux, il y a une augmenta- tion de l'influence de l'inertie du courant et une varia- tion brutale du sens de circulation du gaz, en particulier lorsque le moteur fonctionne à grande vitesse. Etant don- né que cela s'accompagne d'une augmentation de la résis- tance,il en résulte une perte de pression plus grande ain- si qu'une tendance dans la répartition du courant gazeux à favoriser les tubes 5 aux deux extrémités du collecteur.Il en résulte finalement une diminution de la puissance développée par le moteur. La présente invention envisage l'élimination de ce problème ainsi que d'autres problèmes soulevés par l'ensemble de chauffage de l'art antérieur. On décrira ci-après un mode de réalisation d'un ensemble de chauffage selon la présente invention. En liaison tout d'abord avec la figure 4, un mo- teur auquel s'applique la présente invention a la même configuration que celle représentée en figure 1. Plus 6. partie de la figure 5 et représente la liaison entre les éléments (tubes) de chauffage et le cylindre via les col- lecteurs correspondants selon la présente invention. Avant de procéder à la description d'un mode de réalisation préféré de la présente invention, on se repor- tera aux figures 1 à 3 qui donnent une représentation dé- taillée d'une culasse à éléments chauffants classique à laquelle se rapporte la présente invention et des incon- vénients que présente une telle culasse. TC Comme représenté en figures 1 et 2, l'ensemble formé par la culasse comprend un cylindre 1, un logement 2 de récupérateur et un certain nombre de tubes de chauffa- ge 5 exposés à une chambre de combustion 8 d'un moteur à gaz chauffé, tel qu'un moteur Stirling. Le moteur compor- te un ajutage de pulvérisation 6 servant à injecter du car- burant dans la chambre de combustion 8, et un dispositif 7 provoquant des tourbillonnements d'air à partir duquel l'air est introduit et mélangé au carburant injecté de ma- nière à former un mélange air-carburant qui est brûlé dans la chambre 8 afin de chauffer le faisceau de tubes 5. Les gaz de combustion sortent de la chambre 8 via une lumière de décharge 9. Comme décrit en figure 2, les tubes de chauffage 5 sont connectes à une extrémité du cylindre 1 via un collecteur 3 séparé du cylindre 1 en étant soudé à celui- ci et à l'autre extrémité au logement 2 du récupérateur via un collecteur 4 également séparé du logement 2 auquel il est soudé. Les tubes de chauffage 5 renferment un gaz de travail qui est animé dans ces tubes d'un mouvement de va- et-vient entre le cylindre 1 et le logement 2 du récupéra- teur et qui reçoit par l'intermédiaire des fines parois des tubes de l'énergie thermique produite par les gaz de combustion produits dans la chambre 8. Les collecteurs 3,4 comportent des orifices 3a, 4a (figure 1) qui permettent de faire communiquer l'intérieur des collecteurs et l'inté- rieur du cylindre 1 et du logement 2, respectivement. Pré- vues respectivement à proximité des orifices 3a, 4a se 8. spécifiquement, du carburant injecté par l'ajutage de pulvérisation 6 est mélangé à l'air fourni par l'intermé- diaire du dispositif de tourbillonnement d'air 7, le mélange est brûlé dans la chambre de combustion 8 et l'énergie thermique des gaz de combustion est transférée au faisceau de tubes de chauffage 5 présents dans la cham- bre de combustion 8 avant leur décharge via l'orifice de décharge 9. Selon la présente invention, l'ensemble de chauffage comprend un cylindre 1', un logement 2', de récupé- rateur, un collecteur 3' en une partie avec le cylindre 1', un collecteur 4' en une pièce avec le logement 2' et plu- sieurs tubes de chauffage 5 connectés à une de leurs extré- mités au collecteur 3' et à leur autre extrémité au collec- teur 4' de manière à former un canal faisant communiquer l'intérieur du cylindre 1' et l'intérieur du logement 2 du récupérateur par la partie intérieure des collecteurs 3', 4' et des tubes de chauffage 5. Comme on le voit le mieux en figures 5 et 7, les collecteurs 3',4' en une pièce, respectivement, avec le cylindre 1' et le logement 2' sont élargis dans le sens longitudinal,c'est-à-dire suivant un angle généralement droit par rapport aux tubes 5, de sorte que le canal défi- ni à l'intérieur de chaque collecteur par sa paroi inté- rieure a une largeur longitudinale supérieure au diamètre intérieur du cylindre correspondant 1' ou du logement 2' du récupérateur. La paroi intérieure de chaque collecteur 3', 4' forme une transition régulière, progressive et suc- cessive entre la partie plus large du collecteur aux extré- mités des tubes 5 et la paroi intérieure du cylindre 1' ou du logement 2' correspondante plus étroite sans former une limitation brutale dans le canal perpendiculaire à la di- rection longitudinale du collecteur. Avec une telle confi- guration, le sens de changement de la circulation du gaz de travail se produit doucement et progressivement et le 9. gaz de travail peut être introduit uniformément dans cha- cun des tubes de chauffage 5. Il y a lieu de signaler que cet effet peut s'obtenir sans prévoir l'aube de redresse- ment de courant qui est nécessaire dans l'art antérieur. Les tubes de chauffage 5 peuvent être connectés aux collecteurs 3', 4' en procédant à l'ajustage serré de leurs extrémités dans des trous d'insertion formés préala- blement dans les faces extrêmes 4'a, 4'b des collecteurs 3', 4' ou par insertion des extrémités dans ces trous, puis brasage pour les maintenir solidement en place. Dans un mode de réalisation de l'invention, les extrémités des tubes de chauffage 5 connectées à un ou aux deux collecteurs peuvent être disposées en rangées au lieu de l'être dans une seule rangée comme illustré précédem- ment.Un tel mode de réalisation est représenté en figure 6, o les tubes de chauffage 5 sont connectés à une de leurs extrémités au collecteur 4' du côté logement du récupérateur de la manière décrite et illustrée ci-dessus, et à leur au- tre extrémité à un collecteur 3" du côté cylindre. La face extrême 3"a du collecteur 3" comporte une double rangée de trous d'insertion destinés à recevoir les extrémités des tubes 5 pour constituer un ensemble à deux rangées. Le col- lecteur 3" a une forme similaire à celle du collecteur 3', mais, par suite de l'agencement à double rangée des extré- mités des tubes, présente une longueur longitudinale plus cour- te de sorte qu'il y a une limitation relative du trajet du courant gazeux meme moins grande et une largeur plus impor- tante perpendiculairement au sens longitudinal. On notera que le même agencement à double rangée des extrémités des tubes de chauffage peut être adopté pour le collecteur 4'. De plus, l'agencement à double rangée n'est donné qu'à titre d'illustration,car les extrémités des tubes de chauf- fage peuvent être placées, le cas échéant, suivant un nom- bre de rangées supérieur à deux. De nouveau en liaison avec les figures 4, 5 et 10. 7, le gaz de travail enfermé à l'intérieur des tubes de chauffage 5, est animé d'un mouvement de va-et-vient entre le cylindre 1' et le logement 2' du récupérateur, via les collecteurs 3',4' et acquiert par l'intermédiaire des parois des tubes de chauffage l'énergie thermique produi- te dans la chambre de combustion 8, comme cela est le cas de l'art antérieur. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de va- riantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 11. REVENDICATIONS 1 - Ensemble de chauffage pour culasse de moteur à gaz chauffé, comprenant: - un cylindre (1'); - un logement de récupérateur (2'); - un collecteur (3', 4') en une piece avec le cylindre ou le logement du récupérateur; et - un faisceau de tubes de chauffage (5) pour re- lier le cylindre et le logement du récupérateur via le collecteur; - le collecteur ayant une face extrême (3'a; 4'a) comportant des trous d'insertion destinés à recevoir les extrémités des tubes respectifs de chauffage, et une paroi intérieure définissant un canal de passage du gaz de travail qui passe progressivement et successivement d'une largeur à un endroit contigu à la face extrême supérieure à un diamètre intérieur du cylindre ou du logement du récu- pérateur à une largeur équivalant au diamètre intérieur, d'o il résulte une variation régulière du sens de circu- lation du gaz de travail dans le passage. 2 - Ensembie selon la revendication 1, o les trous d'insertion du collecteur sont disposes suivant au moins deux rangées (figure 5), et le collecteur a une lon- gueur longitudinale réduite. 3 - Ensemble de chauffage pour culasse de moteur à gaz chauffé, comprenant: - un cylindre (1'); - un logement de récupérateur (2'); - un premier collecteur (3') en une pièce avec le cylindre; - un second collecteur (4') en une piece avec le logement du récupérateur; et - un faisoeau de tubes de chauffage (5) comportant de premières extrémités qui sont reçues dans le premier collecteur et des secondes extrémités qui sont reçues dans 12. le second collecteur de manière à relier le cylindre et le logement du récupérateur via les premier et second collec- teurs; - le premier collecteur (5') ayant une face ex- trême (3'a) comportant des trous d'insertion destinés à re- cevoir les premières extrémités des tubes de chauffage res- pectifs, et une paroi intérieure définissant un canal de passage du courant gazeux de travail qui passe progressive- ment et successivement d'une largeur à l'endroit contigu à la face extrême supérieure à un diamètre intérieur du cylin- dre à une largeur équivalant à ce diamètre intérieur, d'o l'uniformisation du courant du gaz de travail entre le cylin- dre et les tubes de chauffage.et entre les tubes de chauf- fage et le cylindre; - le second collecteur (4') ayant une face extrê- me (4'a) comportant des trous d'insertion destinés à rece- voir les secondes extrémités des tubes de chauffage respec- tifs, et une paroi intérieure définissant un canal de pas- sage du gaz de travail qui passe progressivement et succes- sivement d'une largeur en un endroit contigu à la face extrê- me, supérieure à un diamètre intérieur du logement du récu- pérateur, à une largeur équivalant à ce diamètre intérieur, d'o l'uniformisation du courant du gaz de travail entre le logement du récupérateur et les tubes de chauffage et en- tre les tubes de chauffage et le logement du récupérateur. 4 - Ensemble selon la revendication 3, o les trous d'insertion d'au moins l'un des premier et second collecteurs sont disposés dans au moins deux rangées, et le collecteur a une longueur réduite dans son sens longi- tudinal.