Brevet FR2747156A1 — publié le 19971010

La présente invention concerne un moteur à combustion externe,type moteur STRLING,avec cylindres de compression et de détente,sourçe de chaleur pour le piston moteur et zone de refroidissement pour le piston de compression,et liaison cinématique entre pistons et arbre moteur par cames à rainures en développante de cercle. La technique basée sur ce mode de transmission permet de réaliser une approche certaine du cycle théorique classique qui comporte un recouvre- ment partiel des différentes phases du cycle.De plus,l'architecture du moteur proposéee avec cylindres de compression et d'expansion situés l'un au-dessus de l'autre et bielles coulissantes l'une dans l'autre peuvent etre à l'origine de pertes mécaniques par frottement non négligeables,poser des problémes de lubrification,sans compter un probléme d'encombrement. Le dispositif selon l'invention comporte un traçé et une disposition des deux cames de montée et de descente centrées sur l'arbre moteur,et tournant en sens inverse l'une de l'autre,permettant à chacune des phases de se dérouler successivement,sans superposition,ce qui permet aux gazs d'ètre tout entier dans le volume d'expansion,om- de compression, pour que les transformations thermodynamiques puissent ainsi mieux s'effectuer à température constante ou à volume constant ,en conformité avec le cycle considéra. I1 permet,de plus,d'éviter que les cylindres soient superposés dans le mème alignement,mais disposés selon une configuration en V. Enfin,en plaçantle récuperateur de chaleur à l'intérieur d'un logement situé entre piston moteur et piston de compression,avec possibilité avoir de coulisser à l'intèrieur de ce logement,on pourra ainsi un meilleur cange de chaleur, soit dans le cas ou il reçoit la chaleur des gazs chauds et détendus,soit dans le cas ou il céde sa chaleur emmagasinée auz gazs froids et comprimés;et lorsqu'~ sera dans ses positions extrd- mes,coté moteur ou coté compression,il pernettra la non communication entre les deux pistons. Le cycle est constitué des quatre opérations distinctes suivantes: Pour commencer,le piston de compression est au point mort haut,et le gaz chaud et détendu occupe tout le cylinere moteur dont le piston est au point mort bas.Le récupérateur de chaleur,positionné du coté du piston de compression,assure la non communication entre les deux chambres. 1. Le gaz est transféré dans le piston de compression;les deux pistons se déplaçent en sens opposé,tandis que le récupérateur se déplaçe du coté du piston moteur.Le gaz doit traverser le récupérateur qui emmagasine la plus grande partie de la chaleur qui s'y trouve contenue.Comme la tem pérature du gaz s'abaisse à volume constant,sa pression baisse. 22 Le piston de compression remonte alors au point mort haut,tandis que l'autre reste fixe,comprimant le gaz dont la température est maintenue constante par le refroidisseur,sans possibilité de communication avec la chambre de détente de par la position du récupérateur ag fond de son logement,coté piston moteur. 39 Le récupérateur est alors ramené coté piston de compression;le gaz le traversant reprend la chaleur qui s'y était emmagasinée ,s 'échauf?e à volume constant,sa pression augmente,créant les conditions requises pour un temps moteur. 42 L'espace chaud étant rempli de gaz à la pression maximale,le piston moteur est repoussé au point mort bas par la détente des gazs haute-pres sion,lestubes du foyer continuent de chauffer le gaz pendant la détente. Le récupérateur assurant l'obturation du passage des gazs vers le piston de compression qui n'est donc pas solliçité. Les dessins annexés illustrent l'invention: +++ La figure 1 représente le diagramme du mouvement des deux pistons suivant le cycle STIRLI > G adopté,ainsi nue le diagrai.e du déplacement du récu?é-a-eur dans son logement,figurés sur le mèrne graphique,ce qui fait en ressortir que les différentes phases du cycle se déroulent succesivemer.t,sars recouvrement entre elles,associées au déplaçement du récupérateur qui permet de restituer ou d'emmagasiner la chaleur des gazs qui le traversent dans de bonnes conditions. +++ La figure 2 représente,vue de façe,le dispositif de l'ensemble du moteur:le bruleur 1 alimente le foyer 2 au sein duquel sont situés les tubes 3 qui réchauffent les gazs qui vont se détendre dans le piston de détente 5 .Les gazs chauds sont vaqués par le conduit d'échappement 4, et utilisés pour réchauffer l'air alimentant le bruleur 1 La bielle 6 du piston 5 a son axe Xt' tangent au cercle de base des rainures en développantes de cercle de l'ensemble des deux cames 7. Selon l'axe ZZ' tangent lui aussi au cercle de base est situé le piston de compression 14 .Le calage des deux cames 7 de montée et de descente est prévu pour permettre le montage en V des deux cylindres selon l'angleC(.Le refroidisseur 11 assure le refroidissesent des gazs arrivant ou évacués du piston de compression 14 à travers les tubulures 12 Entre les deux pistons est situé le récupérateur de chaleur 9 qui absor be la chaleur des gazs sortant du piston de détente vers le piston de compression 14 ,ou restitue ces calories emmagasinées lorsque les gazs vont du piston de compression ag piston de détente 5 Il coulisse à l'intérieur du logement 10 ,et est conçu pour que,dans ses positions extrèmes,ilobture les canalisations des gazs chauds 3 ou celles des gazs froids 12 La commande de déplaçement du récupérateur dans son logement est assurée par le système de bielles 13 ,commandée par la came 15 ,elle-mème entrainée par un système d'engrenages ou de chaine de transmission,pour tourne- à la mème vitesse que l'arbre moteur 8 ++ La figure 3 représente une vue en coupe du moteur suivant l'axe XX'. :11e expliçite la chaine cinenatiqu ertre le piston 5 et sa bielle 6 avec les deux cames 7 par le moyen des galets 16 ,situés en bout de bielle dans les rainures des camen 17;ces deux cames tournent en sens traire,grace au pignon satellite 18 +++ La figure 4 représente la came 15 dentrainement du systéme de bielles commandant le déplaçement du récupérateur dans son logement:les paliers b'c' et d'a',correspondant aux paliers be et de du diagramme des déplaçements du récupérateur, sont des arcs de cercle centrés sur la came 15;les parties a'b' et c'd' correspondant aux déplaçements suivant les parties ab et cd du mème diagramme sont des profils de liaison entre les deux paliers. +++ La figure 5 représente le schéma d'utilisation d'un seul jeu de cames pour agir sur deux paires de pistons,5 et 14,et 18 et 19 ,selon une disposition symétrique par rapport à l'axe de l'arbre 8 Ceci est possible puisque chacune des quatre opérations du diagramme correspond à une rotation de {.En conséquence les points de convergence des rainures des deux cames,qui tournent en sens contraire,à l'endroit des galets des extrémités des bielles,se retrouvent en position symétrique par rapport à l'axe de l'arbre moteur,l'un des points ayant tourné de *t,I'autre de-. +++ La figure 6 représente,vur de façe,la came de montée.Son sens de rotation est donnée par la flèche.Les axes XX' et YY' des pistons sont tangents au cercle de base des développantes de cercle.Elle comporte deux rainures 17 dans lesquelles sont situés les galets 16 situés en bout de bielles. g La rainure aa1b1c1d1 agit sur le piston 5;elle comprend quatre parties -albf correspond à la montée du piston moteur vers son point mort haut, partie en développante de cercle correspondant à la partie AS du diagrame. -b1c1 correspond à la oartie BC du diagramme; le piston moteur reste à sonpcint mort haut;partie en arc de cercle centrée sur le cercle de base -c1d1:partie CD dudiagramme;le piston reste au point mort haut;partieen arc de cercle centrée sur le cercle de base. -d1a1:partie DE du diagramme;détente du piston moteur qui redescend au point mort bas;le traçé de la came est fait pour accompagner la bielle qui est alors solliçitée par la came de descente. ≈Selon les mèmes prinçipes,la rainure flglhlil agit sur le piston de compression 14 ,Elle est décalée par-rapport à la première rainure de l'angleoCdes axes deux pintons moteur et de compression. -fIgl:descente du piston;partie FG du diagramme;traçé d'accompagnement de la bielle. -glhl:montée du piston au point mort haut;partie GE du diagramme;came en développante de cercle. -h1i1:palier du piston au point mort haut;partie du diagramme;traçé en arc de cercle. -il fi :palier au point mort haut;partie IJ du diagramme ;traçé en arc de cercle. +++ La figure 7 représente,vue de façe,la came de descente,dont le sens de rotation,indiqué par la flèche est de sens contraire de la came de mntée,avec le mème cercle de base.Sonprinçipe d'action est identique. ≈La rainure a2b2c2d2:agit sur le piston moteur 5 -a2b2:partie AB du diagramme;traçé d'accompagnement de la bielle. -b2c2:partie BC du diagramme;palier dont le traçé est un arc de cercle -c2d2:partie du diagramme;palier en arc de cercle. -d2a2:détente du piston à son point mort bas;traçé en développante. ≈Larainure f2g2h2i2 agit sur le piston de compression 14 -f2g2:partie FG du diagramme;descente du miston au point nor bas;traç en cveloppante. -g2h2:partie GH du diagranme;montée du piston au point mort haut.Traçé d'accompagnement. -h2i2:palier HI åudiagramme;traçé en arc de cercle. -i2f2:palier IJ du diagramme;traçé en arc de cercle. Selon une variante,on peut modifier le diagramme de la figure 1 en supprimant la phase de palier CD-HI en effectuant le transfert du récupérateur,partie cd du diagramme,svnchronisé avec la phase BC-GE . Cette modificatian simplifie le traçé des cames,augmente la durée du temps moteur,au détriment du travail de compression,mais dans de faibles proportions. Dans ce cas,s'agissant d'tn cycle à trois temps,la possibilité de disposer les paires de pistons en symétrie tar rapport àl'axe de l'arbre moteur n'est plus possible. REVENDICATIONS 1) Disositif pour un :tioteurSTTRlING,a com ustion exte-ne,à cycle fermé,utilisant l'expansion d'un gaz chauffé pour produire 'effort moteur, permettant le suivi rigoureux d'un cycle à quatre temps,sans recouvrement des différentes dg cycle,afin que les transformations thermodyna- miques puissent normalement s'effectuer à température constante ou à vpluis constant,selon les différentes phases du cycle Le montage comporte deux cylindres séparés,piston moteur 5 et piston de compression 14 ,reliés à l'arbre moteur par un systéme de cames à rainures 8 ,avec interposition entre les deux cylindres d'un bruleur 1 alimentant une zone de gazs chauds 2 ,d'un récupérateur de chaleur 9 ,cou- lissant dans son logement 10 ,d'une zone de gazs froids 11 2)Dispositif caractérisé,selon la revendication 1 ,par deux cames à rainures 7,centrées sur l'arbre moteur 8 ,et tournant en sens contraire, grace à un systéme de pignons satellites 18 La premiere came assure les mouvements de montée des deux pistons 5 et 14,etcomporte des parties circulaires centrées sur l'axe moteur pour les paliers du cycle,desparties en développantes de cercle pour les montées des pistons à leur point mort haut,des parties pour accompagner les pistons dans leurs mouvements de descente au point mort bas,disposés pour respecter le cycle STERLING à quatre temps. De méme,la deuxiéme came assure les mouvements de descente des deux pistons selon le méme type de rainures,en parties circulaires pour les pa paliers,en développantes de cercle pour les descentes,et en parties d'accompagnement pour leurs remontées,selon le cycle à quatre temps. 3)Dispositif,selon la revendication 1 et 2 ,caractérisé e ce que l'architecture du moteur comporte une disposflon des cylindres 5 et 14, avec leurs axes tangents au cercle de èase,certrés sur l'arbre moteur, des developpantes de cercle des deux rainures ; ,dont, pour chacune d'elles,les rainures åis?osées pour agir simultanémer.t sur les bielles décalées de deux pistons. 4) Dispositif, selon la revendicatIon 3 ,caractérisée en ce que le moteur comporte,pour un meme jeu de cames,un double jeu de cylindres de compression et de détente,5 et 14 ,t 18 et 19 ,en position symétrique par rapport à l'axe de l'arbre moteur 8 5) Dispositif,selon la revendication 1 ,caractérisée en ce que le récupérateur 9 ,coulissant dans son logement 10 ,est commandée par une came 15 et un systéme de bielles 13 .Cette came est reliée par un systéme d'engrenages ou par chaine pour tourner à la meme vitesse que l'arbre et dont les deux profils en arcs de cercle centrés sur l'axe de la came, et les deux profils intermédiaires de liaison permettent le suivi des mouvements du récupérateur,prévus sur le diagramme. 6)Dispositif,selon la revendication 5 ,caractérisé en ce que le récupérateur 9 dans ses positions extrémes dans son logement 10,vient obturer les canalisations de la sone chaude 3 ou froide 12 ,assurant ainsi la non circulation des gazs entre les deux pistons durant les phases de détente et de compression, qui ont ainsi lieu respectivement à température constante et à volume constant 7) Dispositif,selon la revendication 1 ,caractérisé en ce qu'est supprimé,dans le cycle à quatre temps,la phase des paliers des deux pistons CD pour le piston moteur 5 ,et HI pour le piston d6 compression 14 ,avec le transfert du récupérateur cd,se faisant en synchronisation avec les phases du cycle DE-IJ