Brevet FR2747155A1 — publié le 19971010

La présente invention concerne un moteur à combustion externe,à cycle fermé,utilisant l'expansion d'un gaz chauffé cour produire l'effort sur le piston, selon le prinçipe du moteur STIRLING,avec chambre d'expan sion et de compression,et récupérateur de chaleur entre les deux chamores et refroidissement du gaz,avovt son transfert dans la chambre d'ex pans ion. Les réalisations ac-uelles,pour assurer les mouvements respectifs des deux pistons,au cours du cycle,utilisent des systèmes de bielles et de marnetons qui ne permettent qu'une approche du cycle théorique.Le dispositif selon l'invention réalise une liaison entre l'arbre moteur et les aeuX pistons,azec transmission intégrale de l'effort,et permet à chaque piston une course conforme au cycle STIRLING. La liaison cinématique entre piston et arbre moteur est assure par un jeu de cames.Les cames utilisées sont à profil en développante de cercle;elles présentent les avantages suivants: -Transmission intégrale de l'effort,la poussée se faisant toujours seion l'axe du pistor.;étant entendu que cet axe e2t tangent au cercle de base de la développant@,ainsi que l'axe de la bielle solidaire du piston. -Couple constant,gour un Tort donné,quelle que soit la position du piston. -Système réversible,que l'effort se fasse dans le sens piston-arbre ou arbre-piston. Le dispositif comporte deux cames:i'une pour la descente der pistons des points mort haut au point mort bas,l'autre pour la montée des points mort bas au points mort haut. L'une des deux cames est solidaire de l'arbre,l'autre tourne folle sur l'arbre,et est entrainée par la première au moyen de pignons satellites situés entre les deux cames pour que sa rotation soit inverse de la préçédente. Ces deux cames sont des @ames à rainures,Chacune comporte deux rai@ures pour agir indépe@dément,acit pour la descente,soit pour la montée ae chaque de chaque piston. Chaque bielle comporte à son extrémité deux galets de roulement opposés qui viennent s'insérer chacun dans une des rainures de chaque came pour transmettre alternativement a la descente l'effort moteur ou recevoir l'effort pour la @ontée. Le traçé des cames a été conçu pour respecter le cycle STIRLING suivant: Il est fait de quatre opérations se recouvrant mutuellement: Pour commencer,le gaz qui sert de fluide moteur occupe tout le volume de compression,le piston correspondant étant au point mort bas,l'autre étant au point mort haut. a)le piston de compression commence à monter, tandis que l'autre reste fixe,et le gaz est comprimé tout e restant refroidi par un système de refroidissement. b)ensuite les deux pistons se cé?lacent ensemble,en sens o?posé,et le gaz traverse le récupérateur ae chaleur situé sur le conduit de transfert du gaz entre les deux chambres,lui prenant de la chaleur,ca qui augment@ sa presaion. c)il passe dans la chambre d'expansion en repoussant le piston moteur au point more bas, tout en gardant sa température grace à une source de chaleur. d)sur leur lancée,les deux pistons repartent ensemble en sens contraire et le gaz traversant ie récupérateur lui abandonne sa chaleur;on est revenu au point de départ. Les dessins annexés i lustrent l'invention: ### La figure 1 explicite le mode d'action de la came D àprofil en développantede cercle C sur le piston 2 du cylindre par l'intermédiaire de la bielle s dont l'axe est tangent au cercle C On voit que la poussée est toujours dirigée selon l'axe du piston, et que le couple éxerçé par une force F ou F' est constante C=FxR ou C=F'xR,etque le mouvement est réversible. ### La figure 2 représente en coupe l'ensemble des cames et arbre moteur La came 4 est solidaire de l'arbre 6 ,la came 5 tourne folle,mais est entrainée par la came 4 par l'intermédiaire des satellites 7 ;elle tourne donc an sens inverse de la came 4 . ### La figure 3 représente le diagramme des mouvements des ceux pistons suivant le cycle STIRLING adopté,figurés sur le mème graphique,ce qui fait bien ressortir la non synchronisation des courses de chaque piston moteur et compression.Les différentes opérations qui sont préçisées sur le diagramme indiquent les mouvements de chaque piston. as LA figure 4 représente en coupe le dispositif d'ensemble du moteur. La chambre s est reliée à la chambre de compression 8 par un circuit sur lequel est interpose une sourçe de chaleur 13 ,un récupérateur de chaleur 14,un refroidisseur 15 ,en conformité avec le moteur STIRLING. L@@ pistons 2 et 9 sont superposes de façon que leurs bielles 3 et 10 coulissent l'une dans l'autre,Celles-ci portent à leurs extrèmités les paires de galets 11 et 12 ,qui viennent s'engager dans les deux rainuresdes cames,assurant la liaison avec l'arbre 6 ,l'une pour les mouvements de montée,l'autre pour la descente .La satellite 7 permet une rotation inverse des deux cames. ## La figure 5 représente,vue de came, la came de pontée 4 Le sens de ce rotation est celui conne par la flèche.Lecercle C est le cercle de base de la développante,auquel l'axe du piston XX'est tangent.La came porte deux rainures dans lesquelles roulent les deux galets solidaires des bielles:la rainure R1A pour le galet du piston moteur, situé du coté de la came,la rainure R1B pour le galet du piston de compression *** La rainure R1A se décompose en trois parties correspondant au diagramme du cycle de la figure 3 . +a1-b1:correspond à la partie AS dudiagramme,palier au cours duquel le piston reste au point @ort haut;c'est un arc e cercle centré sur le cercle de base C +b1-c1:partie BC du diagramme,descente du piston moteur;la came qui est la came ce montée n piston n'intervient pas;elle ne fait qu'accompagner le galet de la bielle qui lui est attachée.Son traçé est déterminé pour suivre la bialle dans sa descente. +c1-a1:partie CD du diagramme,transfert du gaz dans le piston de compres sion;c'est la partie ou la came fournit le travail au piston moteur;son traçé est en dèveloppante ce cercle. *** La rainure R1B comporte également un traçé en trois parties: +e1-f1:partie EF du diagramme,phase de compression du gaz dans le piston de compression;c'est le temps actif ou la came fournit la poussée au piston de compression;son traçé est en développante de cercle. +f1-g1:partie FG du diagramme,plaier du piston de compression au point mort haut;son traçé est un arc de cercle centré sur le cercle C . +g1-e1:partie GH du diagramme,transfert dans le piston de compression; son traçé est déterminé pour suivre la bielle. Nous voyons que les phases du palier correspondent à 1/3 de tour d'arbre,et celles de monte et descente à 2/@ de tour. La figure 6 représente, vue de façe,la came de descente 5 Son sens de rotation, inverse de la came préçédente,est indiqué par la flèche.La came comporte deux rainures dans lesquelles roulent les galets solidaires des bielles,soit la rainure R2A pour le galet du piston moteur,et la rainure 223 pour le galet du piston de compression. On retrouve içi les mèmes prinçipes d'exécution que pour la came 4 *** La rainure R2A se décompose en trois parties: +a2-b2:correspond au @alier AB du diagramme.Son traçé cercle centre sur e cercle C +b2-c2:correspond à la partie BC,descente du piston moteur;c'est la partie active de la came,dont 1 traçé est en développante ce cercle. +c2-a2:correspond à la partie CD dudiagramme;son traçé est déterminé pour un simple accompagnement de la bielle. *** La rainure R2B comporte de mème trois tronçons: +e2-f2:correspond à la partie EF du diagraame;phase de compression;son traçé est établi pour suivre la bielle. +f2-g2:correspond à la partie FG du diagramme;palier au point mort haut on a un ar@ de cercle centré sur le cercle de base. +g2-e2:correspond à la partie GH du diagramme;descente du piston;c'est la partie active de la come,on a un traçé en développante de cercle. Les développantes des deux cames sont de sens inverse. Selon une variante, les développantes de cercle peuvent etre rempla çées par d'autres courbes spirales,en particulien par des spirales logarithmiques ou d'Archimède. Selon une autre variante,on proçède,lors du transfert du gaz chaui dans le piston de compression,à une détente,ce qui produit un certain travail,récupéré sur l'arbre,et un abaissement de la température du ga; dépensées d'ou économie de calories qui seraient en pure perte lors du refroidis- sement des gazs,dans le cas de leur transfert à volume constant,du piston de détente au piston de compression. REVENDICATIONS 1)Dispositif pour un moteur STIRLING,à combustion externe,à cycle fermé,utilisant l' expansion d'un gaz chauffè pour produire l'effort sur le piston moteur,permettant un suivi rigoureux du cycle STIRLING théorique par le moyen d'une raison cinématique entre les pistons moteur 2 et compression 9 et l'arbre 6 , avec interposition entre les deux cylindres 1 et 8,d'une sourçe de chaleur 13 ,d'un récupérateur de chaleur 14 , d'une sourçe de refroidissement 15 ,avec transfert du gaz,àvolume constant,entre les deux cylindres . 2)Dispositif selon la revendication 1 ,caractérisée en ce que les cames à rainures tournent en sens inverse: -l'une,came 4 ,calée sur l'arbre moteur 6 ,assure les mouvements de montée des piszons 2 et -l'autre, came 5 ,tourne folle sur l'arbre 6 ,ensens inverse de la pré çédente,graçe aux pignons satellites 7 ,assurant les mouvements de descente des pistons. 3) Dispositif selon la revendication 2,caractérisée en ce que les deux cames 4 et 5 comportent chacune une double rainure. -pour la came 4 ,la rainure R1A,reliée au piston moteur 2 et la rainu re R1B reliée au piston de compression 9 . pour la came 5 ,les rainures R2A pour le piston moteur 2 et R2B pour le piston de compression 9 4)Dispositif selon les revendications 2 et 3 ,caractérisé en ce les doubles rainures sont constituées de trois parties distInctes: 12 PARTIES actives assurant les montées et descentes des pistons,en dé @ veloppantes de cerole,dont le cercle de basa C est centré sur l'axe de l'arbre moteur 6 ,et l'axe des bielles conçentriques 3 et 10 ,qui cou lissent l'une dans l'autre,est tangent à ce cercle de base. Pour la came de montée 4 : +partie c1-a1 de la rainure R1A pour la montée du piston 2 partie e1-f1 de la rainure RIS pour la montée du piston 9 De mème pour la came de descente 5 partie b2-c2 de la rainure R2A pour la descente du piston 2 @partie g2-e2:de l@ rainure R2B pour la descente du pistonn 9 . 2 Parties intermédiaires, arcs de cercle centré sur l'axe du moteur 6 ,correspondant aux paliers des cycles des pistons.Ce sont pour la came demontée 4 les arcs ce cercle a1-b1 pour le piston moteur 2 et f1-g1 pour le piston ce compression 9 ,pour la cane de descente 5 les arcs a2-b2 pour le piston 2 et g2-f2 pour le piston 9 . 3 Rainures passives uniquement pour le guidage des galets lorsque les bielles sont menées par l'autre came.Cesont les parties b1-c1 et g1-e1 pour la came de monte 4 et los parties c2-a2 et e2-f2 pour la came de descente 5 5)Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le rem placement,dans les cames,des profils en développantes de cercle par d'autres courbes spirales. 6)Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le transfert des gazs entre les deux cylindres 3 et 1 est réalisé non plus à volume constant mais ivec détente dans le cylindre decompression e