Brevet FR2668543A1 — publié le 19920430

MOTEUR A GAZ CHAUD La présente invention concerne un appareil destiné à fournir de l'énergie et- plus précisement, un moteur de véhicule, permettant la combustion externe du combustible et réduisant de cette manière la quantité de sous produits toxiques de combustion. Le moteur à combustion interne à quatre temps est utilisé presque exclusivement, dans l'industrie automobile depuis son apparition. Le rendement élevé de tels moteurs et la puissance relativement élevée par unité de poids et de dimension du moteur en ont assuré la prédominance pendant des années. Ce n'est que récemment que les inconvénients importants de ces moteurs, c'est à dire les sous produits de combustion occasionnant une pollution atmosphérique, ont posé un problème suffisamment important pourqu'ils imposent des recherches portant sur d'autres moteurs de propulsion des véhicules. La difficulté de la réalisation d'un moteur à combustion interne à quatre temps peu polluant est la suivante. Lors du fonctionnement d'un moteur à quatre temps, le mélange carburant-air dans le cas des moteurs classiques à essence, ou l'air qui doit être mélangé au carburant, dans la cas d'un moteur diesel, doivent d'abord être comprimés pendant la course de compression. A la fin de celle-ci, le mélange est enflammé ou dans le cas d'un moteur diésel, le carburant est injecté dans le cylindre, et la combustion repousse le piston en transmettant un couple au vilebrequin. Pour que de tels moteurs aient un rendement élevé, le rapport de compression, c'est à dire le rapport entre le volume du cylindre au point mort haut et au point mort bas doit être aussi élevé que possible. Dans un moteur diésel, les rapports de compression peuvent dépasser 20/1. Dans les moteurs classiques à essence cependant, le rapport de compression est limité par les caractéristiques d'auto-inflammation correspondant au carburant utilisé. Ainsi, par exemple, des moteurs classiques à essence ont des rapports de combustion de l'ordre de 7/1 à 10/1. Lorsque ce rapport augmente, l'essence doit être améliorée ou doit contenir des quantités accrues d'additifs anti-détonnant, de manière que le mélange d'essence et d'air ne puisse pas atteindre la température de combustion à la suite de l'augmentation quasi adiabatique de la température dans le cylindre au cours de la compression. Ces rapports élevés de compression sont responsables dans une grande mesure des sous produits polluants créés par le moteur car les additifs anti-cognement ajoutent eux mêmes des polluants, et le mélange carburant-air brûle dans des conditions telles qu'il se forme des sous produits nocifs. En conséquence, lors de l'utilisation d'un moteur classique à quatre temps, l'ingénieur doit toujours chercher un compromis entre le rendement et la pollution, donnant satisfaction. I1 faut aussi noter que lorsque la quantité de sous produits polluants est réduite, le rendement du moteur est abaissé en conséquence. On a suggéré de nombreuses variantes pour le remplacement des moteurs classiques et notamment les moteurs à combustion externe encore appelées moteurs à gaz chauds mettant en oeuvre le cycle d'Ericsson ou le cycle de Stirling. On a beaucoup étudié les moteurs Stirling notamment à cause de leur émission de gaz d'échappement peu polluants, ainsi que pour leur rendement thermique élevé et leur faible bruit. Ils présentent de plus l'avantage de pouvoir utiliser un grand nombre de combustibles liquides et gazeux différents. Les moteurs Stirling les plus récents, développés en particulier par la Société Philipps, comprennent deux pistons se déplaçant alternativement dans un cylindre unique et déphasés d'environ 90" l'un par rapport à l'autre. Malheureusement les moteurs à gaz chauds connus présentent l'inconvénient d'avoir de faible rendements et d'être de réalisation compliquée. Le but de la présente invention est de proposer un moteur à gaz chaud qui ait des rendements élevés et qui soit facile de réalisation. Le dispositif constituant un moteur à gaz chaud suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend des chambres primaires et secondaires de travail d'un gaz, des pistons reliés à un arbre d'entraînement, destinés à se déplacer alternativement dans les dites chambres et associés de sorte que lors de leur déplacement, les volumes efficaces des chambres varient de façon sensiblement identiques, un dispositif d'alimentation des dites chambres en gaz, un dispositif intermédiaire destiné à mettre en communication les deux chambres de manière à transférer le gaz entre elles et à chauffer ce gàz au cours de ces transferts et un dispositif d'échappement du gaz hors des deux chambres de travail. Selon une autre caractéristique de l'invention ledit dispositif d'alimentation comprend un circuit d'amenée du gaz depuis un réservoir, une chambre de travail du gaz, un piston relié à l'arbre d'entraînement et destiné à de déplacer alternativement dans la dite chambre, une réserve de gaz sous pression, un dispositif de refroidissement du gaz placé dans cette réserve et des. liaisons reliant la dite réserve à la dite chambre ainsi qu'aux chambres primaire et secondaire de travail. Selon un mode réalisation de l'invention, le dit réservoir est constitué par l'atmosphère ambiante et le gaz de travail est l'air. Selon une autre caractéristique de l'invention ledit dispositif intermédiaire comprend une première liaison reliant la chambre secondaire à la chambre primaire, chacune de ces liaisons coopérant avec des dispositifs échangeurs de chaleur, en contact avec au moins une source de chaleur externe, destinés à fournir de l'énergie calorifique aux gaz durant leur transfert d'une chambre à l'autre. Selon une autre caractéristique de l'invention ledit dispositif d'échappement comprend une chambre de travail du gaz, un piston relié à l'arbre d'entraînement destiné à se déplacer alternativement dans ladite chambre, et un circuit d'évacuation du gaz jusqu'à un réservoir. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'alimentation, le dispositif intermédiaire d'air et le dispositif d'échappement sont pilotés par des dispositifs obturateurs dont le fonctionnement est asservi à un ou plusieurs paramètres de marche du moteur et notamment à la rotation de l'arbre d'entraînement, dispositifs obturateurs constitués selon une réalisation préférée par des boisseaux rotatifs. D'autres caractérisques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description donnée à titre d'exemple non limitatif en reférence au dessin annexé dans lequel: La figure f représente schématiquement un moteur à gaz chauds suivant l'invention. La figure 1 représente le schéma constitutif d'un moteur à gaz chauds suivant l'invention. Ce moteur fonctionne en circuit ouvert suivant un cycle de type Stirling et en utilisant de l'air pris dans l'atmosphère comme gaz actif. Le moteur comporte deux chambres de travail à volume. variable constituées par les cylindres 20, 30 dans lesquels coulissent un piston, respectivement 21, 31. Ces pistons sont reliés à un arbre d'entraînement 1 ou vilebrequin, destiné à retirer l'énergie mécanique, à l'aide classiquement d'une tige de liaison et d'une manivelle. Les deux pistons 21 et 31 sont montés sur l'arbre 1 de manière à se déplacer en harmonie. Ces chambres primaires 20 et secondaires 30 de travail sont connectées à un circuit d'alimentation en gaz frais. Ce dispositif d'alimentation comprend une chambre de travail à volume variable constituée par un troisième cylindre 10 dans lequel coulisse un piston 11 relié à l'arbre d'entraînement 1. Cette chambre est connectée d'une part à une conduite d'amenée 12 par où arrive l'air prélevé à l'atmosphère ambiant via un filtre à air non figuré et d'autre part à une conduite d'évacuation 13 par où l'air est refoulé sous pression vers une réserve 2 munie d'un dispositif de refroidissement également non figuré. Cette réserve 2 alimente en air frais sous pression les chambres primaire 20 et secondaire 30 via les conduites d'amenée 22 et 32. Les chambres de travail primaire 20 et secondaire 30 sont également connectées à un circuit d'échappement de l'air et de retour à l'atmosphère. Ce dispositif d'échappement comprend une chambre de travail à volume variable constituée par un quatrième cylindre 40 dans lequel coulisse un piston 41 relié à l'arbre d'entraînement 1. Cette chambre 40 est alimentée en air depuis les chambres primaire 20 et secondaire 30 par les conduites respectives 25 et 35 et elle échappe cet air par la conduite 43 vers le brûleur 3 où il sert d'air comburant, brûleur par exemple à combustible pétrolier liquide, ce brûleur 3 constituant la source de chaleur d'un ensemble échangeur de chaleur. Les gaz de combustion du brûleur sont rejetés dans l'atmosphère par la ligne d'échappement 6. Enfin les chambres de travail primaire 20 et secondaire 30 sont interconnectées par un dispositif intermédiaire. Un premier circuit comprenant la conduite 23, l'échangeur de chaleur 4 et la conduite 34 relie le cylindre 20 au cylindre 30 et un second circuit comprenant la conduite 33, l'échangeur de chaleur 5 et la conduite 24 relie le cylindre 30 au cylindre 20. Les deux échangeurs de chaleur 4 et 5 font partis de l'ensemble échangeur de chaleur. Les produits de combustion de brûleur 3 transfèrent leur chaleur au gaz de travail à travers les échangeurs 4 et 5 d'une manière connue en soi et qui a n'a donc pas besoin d'être developpée. L'ensemble des conduites qui viennent d'être énumérées :12, 13, 22, 23, 24, 25, 32, 33, 34, 35, 43 débouchent dans les différents cylindres par des sièges munis de moyens obturateurs respectivement 52, 53, 62, 63, 64, 65, 72, 73, 74, 75, 83 comme des lumières ou des soupapes ou encore des boisseaux rotatifs donc l'actionnement dépend d'un ou plusieurs paramètres de marche moteur et en particulier de la rotation de l'arbre d'entraînement 1. Dans la suite de la description ces moyens obturateurs seront appelés soupapes. Le fonctionnement de l'invention s'établit comme suit à partir de la description qui vient d'être faite: La première chambre de travail, cylindre 10 et piston 11, à un rôle de compresseur. Son fonctionnement est un fonctionnement deux temps admission compression. I1 aspire l'air du circuit d'admission pendant la phase descendante du piston 11 et d'ouverture de la soupape 52 et comprime cet air pendant la phase ascendante. L'air comprimé est échappé à l'ouverture de la soupape 53 dans une réserve 2 sous pression coopérant avec un échangeur de chaleur pour réduire la température des gaz ainsi comprimés. L'air sous pression et refroidi par cet échangeur sert à alimenter alternativement les deux chambres de travail principales: cylindre 20, et cylindre 30 où les deux pistons 21, 31 évoluent parfaitement en phase. Le cycle de fonctionnement de chaque chambre est un cycle 4 temps. Interessons nous d'abord au fonctionnement de la chambre primaire: cylindre 20. 1 temps : admission Le piston 21 est en position haute ou point mort haut (PMH), de sorte que le volume disponible dans le cylindre est minimum. En passant en position basse ou point mort bas (PMB), le piston provoque une dépression qui aspire l'air de la réserve 2 dans le volume maximum. Pendant cette course descendante du piston, la soupape d'admission 62 est restée grande ouverte, son ouverture a commencé avant le PMH, pour se terminer après le PMB pour tenir compte des inerties de la colonne gazeuse ; en principe le point de fermeture correspond à l'instant où la pression des gaz dans le cylindre 20 égale la pression de l'échangeur 2. 2 temps: compression - refoulement dans l'échangeur 4 Le piston passe du PMB au PMH, les gaz sont comprimés et refoulés dans l'échangeur 4 où les gaz sont chauffés, à travers la soupape 63 et la conduite 23. L'ouverture de la soupape de refoulement 63 a commencé avant le PMH et s'est terminée après. 3 temps: détente - depuis l'échangeur 5 Les gaz sous pression contenus dans l'échangeur 5 et portés à la température adéquate sont admis par la conduite 24 dans la chambre de travail où ils se détendent, sous la poussée des gaz le piston descend alors PMH au PMB. La soupape de détente 64 s'ouvre avant le PMH et se referme après le PMB. 4 temps : l'échappement Le vilebrequin du moteur termine son deuxième tour et le piston remonte du PMB au PMH en repoussant les gaz à travers la soupape d'échappement 65 grande ouverte. En fin de détente, la pression des gaz encore très supérieure à la pression atmosphérique est utilisée dans la chambre de travail 40. Le piston 41 est déphasé par rapport au piston 21 de façon à ce que le transfert des gaz échappant de la chambre 20 à travers la liaison 25 s'effectue avec une récupération de travail, ce qui implique que la cylindrée unitaire de la chambre 40 soit supérieure à la chambre 20. L'ouverture de la soupape 84 s'effectue simultanément à l'ouverture de la soupape 65. Le fonctionnement de la chambre primaire qui vient d'être developpé est tout à fait similaire à celui de la chambre secondaire mais avec un décalage de deux temps. Les deux pistons 21 et 31 fonctionnent en harmonie lorsque la chambre 20 est en phase d'admission, la chambre 30 est en phase de détente. Les deux chambres primaire et secondaire sont alimentées par le compresseur 21 et évacuent leur gaz en fin de cycle dans le détendeur commun 40, 41. Les gaz refoulés dans l'échangeur 4 par le piston 21 sont détendus dans la chambre 30 tandis que les gaz refoulés dans l'échangeur 5 par le piston 31 sont détendus dans la chambre 20. Ce croisement permet aux gaz de demeurer plus longtemps dans les échangeurs et d'acquérir ainsi une température plus élevée. I1 est évident que l'invention n'est pas limitée à la réalisation décrite et qu'on peut y apporter de nombreuses variantes. Ainsi le moteur suivant l'invention pourrait parfaitement fonctionner sans le détendeur 40, 41 et/ou sans le compresseur 10, 11. De même le moteur pourrait fonctionner en cycle fermé avec comme gaz actif de l'air ou de l'hydrogène ou tout autre fluide donc les caractéristiques thermodynamiques se prêtent au cycle de Stirling. Pour ce faire le compresseur 10, 11 n'est pas alimenté à partir de l'atmosphère ambiant mais à partir d'un réservoir, réservoir où est évacué l'air à la sortie du détendeur 40, 41, le brûleur ayant alors un circuit propre d'alimentation en air comburant. REVENDICATIONS [1] Dispositif constituant un moteur à gaz chaud, caractérisé en ce qu'il comprend des chambres primaires (20) et secondaires (30) de travail d'un gaz, des pistons (21, 31), reliés à un arbre d'entraînement (1), destinés à se déplacer alternativement dans les dites chambres (20, 30) et associés de sorte que lors de leur déplacement, les volumes efficaces des chambres (20, 30) varient de façon sensiblement identiques, un dispositif d'alimentation des dites chambres (20, 30) en gaz, un dispositif intermédiaire destinés à mettre en communication les deux chambres (20, 30) de manière à transférer le gaz entre elles et à chauffer ce gaz au cours de ces tranferts et un dispositif d'échappement du gaz hors des deux chambres de travail (20, 30). [2] Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit dispositif d'alimentation comprend un circuit d'amenée (12) du gaz depuis un réservoir, une chambre de travail (10) du gaz, un piston (11) relié à l'arbre d'entraînement (1) et destiné à se déplacer alternativement dans ladite chambre (10), une réserve de gaz sous pression (2), un dispositif de refroidissement du gaz placé dans cette réserve et des liaisons (13, 22, 32) reliant ladite réserve (2) à ladite chambre (10) ainsi qu'aux chambres primaire (20) et secondaire de travail (30). [3] Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit réservoir est constitué par l'atmosphère ambiante et en ce que le gaz est de l'air. [4] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit dispositif intermédiaire comprend une première liaison (23) reliant la chambre primaire (20) à la chambre secondaire (30) et une seconde liaison (33) reliant la chambre secondaire (30) à la chambre primaire (20), chacune de ces liaisons coopérant avec des dispositifs échangeurs (5, 4) de chaleur en contact avec au moins une source de chaleur externe, destinés à fournir de l'énergie calorifique aux gaz durant leur transfert d'une chambre à l'autre. [5] Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la source de chaleur externe est constituée par un brûleur (3) où brûle un mélange de combustible et d'air comburant. [6] Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les produits combustion dudit brûleur (3) fournissent de l'énergie calorifique au gaz à travers lesdits échangeurs (5, 6). [7] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit dispositif d'échappement comprend une chambre de travail (40) du gaz, un piston (41), relié à l'arbre d'entraînemment (1), destiné à se déplacer alternativement dans ladite chambre (40), des liaisons d'amenée (25, 35) du gaz en provenance des chambres primaire (20) et secondaire (30) et un circuit d'évacuation (43) du gaz jusqu' à un réservoir. [8] Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit réservoir est constitué par l'atmosphère ambiante et en ce que le gaz est de l'air. [9] Dispositif selon les revendications 5 et 8 caractérisé en ce que le circuit d'évacuation alimente en air comburant ledit brûleur (3). [10] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation, le dispositif intermédiaire et le dispositif d'échappement sont pilotés par des dispositifs obturateurs dont le fonctionnement est asservi à un ou plusieurs paramètres de marche du moteur. [11] Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que les dits dispositifs obturateurs sont constitués par des boisseaux rotatifs.