Brevet FR2817592A1 — publié le 20020607

La présente invention concerne un moteur à pistons gigognes croisés (PGC) sans bielle dont les sources thermiques sont externes et dont le cycle thermodynamique est particulier compte tenu de son architecture. Le moteur PGC créé par le même auteur était jusque là un moteur à combustion interne, essence, diesel ou GPL, dont le cycle est déjà particulier puisqu'il s'établit dans trois chambres différentes. Ce moteur est constitué en effet par un gros piston cylindrique vertical à 2 faces opposées actives à l'intérieur duquel se déplace perpendiculairement un piston horizontal plus petit Le maneton du vilebrequin traverse directement le centre du petit piston horizontal lequel assure le déplacement coslnusoïdal du maneton alors que le gros piston assure son déplacement sinusoidal. Ainsi, une chambre d'admissionicompression est créée par le déplacement du gros piston sous sa face inférieure et une chambre de surdétente au dessus de sa face supérieure. La troisième chambre est créée par le déplacement du piston honzontal à l'intérieur du gros piston. C'est la chambre de surcompression/ explosion/détente. Le transfert entre ses trois chambres se fait automatiquement par un jeu de lumières et de cheminées traversant verticalement le gros piston. L'injection du carburant dans la chambre de combustion se fait par un puits traversant lui aussi le gros piston et ouvrant au niveau de la chambre de combustion. Plusieurs prototypes ont permis de démontrer les avantages de cette architecture originale. Le moteur selon l'invention reprend donc cette architecture de pistons gigognes croisés mais sans les systèmes de lumières de transferts spécifiques à la combustion interne. Ce moteur utilise une source de chaleur et de froid externe au moteur. Ainsi la chambre d'admission/ compression sous la face inférieure du gros piston (1) devient la chambre chaude (9), la chambre de surdétente au dessus du gros piston devient la chambre froide (10) et la chambre de combustion centrale interne au gros piston devient la chambre de travail (11) dans laquelle le petit piston (2) est repoussé par surcompression du gaz interne réchauffé, ce qui entraîne le maneton du vilebrequin (3) pour la rotation de l'arbre moteur. La source chaude (7) de ce moteur destinée à réchauffer le gaz interne est donc constituée par la face inférieure très conductrice du carter (6), elle-même chauffée depuis l'extérieur du moteur. La source froide (8) de ce moteur destinée à refroidir le gaz interne est constituée par la face supérieure très conductrice du carter elle-même refroidie depuis l'extérieur de ce moteur. Le principe de base est très simple. Lorsque le gaz interne se trouve dans la chambre inférieure dite chambre chaude (9) il se réchauffe pratiquement instantanément au contact des parois et principalement de la face chaude (7) du carter ce qui a pour conséquence de le dilater donc d'augmenter sa pression. Cette surpression aura pour conséquence dans la chambre de travail (H), de repousser le piston horizontal dont l'autre face n'est pas soumise à cette surpression. En effet le carter moteur est ouvert au niveau de cette 4*chambre (12). Ce piston horizontal (2) dit piston de travail entraîne en rotation le maneton du vilebrequin (3). Lorsque, en descendant, le gros ptston (1) transfert le gaz interne dans la chambre froide (10) au dessus de sa face supeneure, le gaz se refroidit instantanément et sa pression chute ce qui permet au piston de travail (2) de revenir sans effort et qui permet au maneton du vilebrequin de continuer sa rotation. Ainsi le déplacement vertical du gros piston (1) va faire que le gaz se trouvera alternativement sot dans la chambre chaude (9) inférieure pour se réchauffer et faire augmenter la pression sort dans la chambre froide (10) pour se refroidir et chuter sa pression selon la formule PV = nRT. Le transfert entre la chambre chaude et la chambre froide se fait au travers du gros piston par des puds (5) le traversant verticalement de part en part. Le remplissage et évacuation de la chambre de travail (11) à l'intérieur du gros piston devant le petit piston honzontal se fait par un puits (4) allant de cette chambre de travail (11) à la chambre chaude (9) seulement. Il est en effet très intéressant que le gaz chassé de la chambre de travail par le retour du petit piston pénetre directement dans la chambre chaude car c'est d'une part le moment où celle-o se remplit et d'autre part ce gaz expulsé n'a pas été refroidi. Cela offre donc un gain au niveau du réchauffement. De plus, pour ameliorer le rendement du cycle particulier de ce moteur, des echangeurs (15) appelés encore économiseurs sont placés dans les puits de transferts (5) usinés au travers du gros piston. Ces économiseurs sont constitués d'un empilage de filtres spéciaux (15) isolés entre eux. Ces filtres, sorte de grille en matériau spécial retiennent une partie des calories du gaz qui les traverse dans un sens et lui redonnent lorsqu'il repasse en sens inverse. Ainsi le gaz commence à se refroidir avant d'arriver dans la chambre froide et inversement, commence à se réchauffer avant d'amver dans la chambre chaude Le déplacement honzontal du petit piston (2) par rapport au déplacement vertical du gros piston (1) présente l'avantage d'un déphasage de 900 ce qui laisse le temps à la totalité du gaz de se réchauffa dans ta chambre chaude. Puis la diminution du volume de cette chambre permet de mieux exploiter la surcompression dans la chambre de travail. Le gros piston a donc principalement pour rôle de transférer le gaz de la chambre froide à la chambre chaude et réciproquement Le rôle du piston honzontal est principalement la mise en mouvement du vilebrequin, mais Il participe aussi au transfert du gaz au moment approprié. Ce transfert se conjugue parfaitement avec le déplacement et l'effort du petit piston. Il correspond bien également à la compression et à la dépression dues au rechauffement ou refroidissement du gaz du fait de sa présence dans l'une ou l'autre chambre. Ainsi ce déphasage inhérent à la concept) on même de ce type de moteur permettra une vitesse de rotation relativement rapide et facile à optimiser de manière à ce qu'il corresponde exactement au déphasage dû à l'inertie thermique du gaz qui est en fait très courte. En ce qui concerne les particularités du cycle, il est à noter que les 3 chambres sont sensées avoir la même pression au même moment du cycle. Ce cycle ne comporte donc pas de compression mécanique par réduction de volume. En effet, le retour du piston de travail se fait sans grand effort au moment où le gaz se refroidit donc chute en pression dans la chambre froide. Ainsi le cycle particulier de ce moteur se distingue des cycles les plus connus tel que Shirting, Ericsson, Bouasse, Camot, etc. non seulement par le fait qu'il s'effectue dans 3 chambres dont l'évolution des volumes est spécifique à son architecture mais aussi par le fait qu'il n'utilise aucune compression mécanique par mouvement de piston et que les 3 chambres sont en permanence à la même pression entre elles puisqu'elles communiquent par des puits (4) (5) toujours ouverts. Si l'on utilise un système de correspondance de lumières inspiré du moteur PGC à combustion interne pour gérer les transferts entre les chambres et exploiter une compression mécanique avant le réchauffement du gaz, le cycle n'est plus du tout te même. Ceci peut d'ailleurs lui conférer des avantages différents et fera partie d'une autre étude et d'un autre développement. Selon les modes particuliers de réalisation, la source chaude (7) pourra être alimentée par une source radioactive ou par la combustion de combustibles fossiles tes que bois, pétrole ou bien déchets en tout genre. Ce pourra être également de l'énergie solaire provenant d'un miroir parabolique de concentration avec un miroir de focalisation concentrant les rayons sur la face du carter constituant la source chaude. Inversement la face froide (8) opposée pourra être couplée à un radiateur de dispersion Dans le cas d'exploitation en station spatiale ce moteur est idéal pour exploiter au mieux la différence de température entre la face chaude exposée au soleil et la face froide opposée donc soumise aux très basses températures du vide spatial. Ce moteur pourra comporter plusieurs cylindres identiques, en étoile ou en ligne et déphasés entre eux de préférence, sur le même vilebrequin. Les cylindres pourront aussi être exploités sur des vilebrequins parallèles et indépendants reliés entre eux par pignons. Ces différents montages sont à définir en fonction de l'application mais n'interviennent pas sur le cycle. Comme pour le moteur PGC à combustion interne on pourra jouer sur les rapports différents des diamètres du piston vertical (1) et du piston horizontal (2). Leur course sera toutefois obligatoirement la même pour les deux. On pourra enfin jouer sur le surcreusement plus ou moins important de la tête du petit piston ainsi que sur l'espace restant au PMH entre celui-ci et la paroi de la chambre de travail (11). Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente une coupe verticale perpendiculaire à l'axe du vilebrequin (3) de l'ensemble du moteur avec les deux pistons dans le carter (6), la source chaude (7) en bas symbolisée par une rampe de petites flammes, la source froide (8) en haut avec des ailettes de diffusion de chaleur. La figure 2 montre une coupe horizontale selon l'axe du vilebrequin de ce moteur, mettant en évidence la position des puits (5) de transfert dont on voit la section circulaire dans laquelle sont empilés les filtres de l'échangeur de chaleur (15). La figure 3 montre une coupe verticale selon l'axe du vilebrequin avec le gros piston (1) en point mort haut. La figure 4 représente une coupe verticale d'un putts de transfert) avec l'empilement des filtres constituant les échangeurs ou économiseurs de chaleur (15). Les figures 5, 6, 7, 8, montrent l'évolution du cycle et la position des deux pistons en fonction de la rotation du vilebrequin. La figure 5 montre le gros piston (1) en PMH, le petit piston (2) en position centrale. Le volume de la chambre froide (10) est minimum, le volume de la chambre de travail (11) est en extension, le volume de la chambre chaude (9) est maximum. La figure 6 montre, apres 900 de rotation du vilebrequin, le gros piston en position intermédiaire. Le volume de la chambre froide est en extension, celui de la chambre chaude se réduit, la chambre de travail est à son maximum. La figure 7 montre le gros piston après 1800 de'rotation, en PMB, le volume de la chambre imide est maximum, celui de la chambre chaude est minimum, le volume de la chambre de travail se reduit La figure 8 montre le gros piston qui remonte en position intermédiaire après 2700 de rotation. Le volume de la chambre froide se réduit alors que celui de la chambre chaude augmente. Le volume de la chambre de travail est minimum. En référence à ces dessins ce moteur comporte 2 pistons par cylindre. Un gros piston (1) vertical cylindrique à deux faces actives coulissant verticalement dans un carter cylindrique (6). Au centre de ce piston et perpendiculairement à son axe, coulisse le piston horizontal de travail (2). Les termes vertical et horizontal sont utilisés seulement pour faciliter la description puisque en fait ce moteur peut fonctionner dans n'importe quelle position. Des segments d'étanchéité pourront être installés près des faces d'extrémité de ces pistons. Le maneton du vilebrequin (3) traverse directement le centre du piston horizontal (2) et est directement entraîné par lui dans son mouvement rotant Pour faciliter le montage et permettre le débatte ment nécessaire au vilebrequin un 2e alésage dans le gros piston (1) devra être usiné perpendiculairement à l'alésage dans lequel coulisse le piston horizontal. Pour augmenter l'efficacité de la chambre chaude (9) et de la chambre froide (10) les faces supérieures et inférieures du gros piston sont revêtues d'une semelle (14) en matériau à grande inertie thermique de manière à ce que la chambre froide ait ses parois le plus froid possible et la chambre chaude des parois le plus chaud possible. Afin de réduire la conductibilité thermique du gros piston, des couches isolantes seront placées entre ces semelles (14) et le matériau du piston. En ce qui concerne le carter (6) le même principe pourra être utilisé principalement pour la plaque de source chaude (7) qui bien que maintenue seulement en périphérie pourra être indépendante et fixée sur la carter (6) cylindrique. Ce carter cylindrique ne sert que de chemise au gros piston et pour faciliter le montage il sera constitué de 2 éléments symétriques assemblés au niveau du passage du vilebrequin (3). Ce carter comporte également une ouverture centrale (13) dans l'axe de déplacement du petit piston. Elle permet à la 48 chambre (12) de rester en permanence à la même pression quel que Soit la position du piston horizontal. Dans le cas d'une exploitation à plusieurs cylindres déphasés entre eux les 4emes chambres pourront être reliées entre elles par une tubulure hermétique qui les maintiendra à une pression constante plus ou moins importante et à evaluer en fonction de la pression moyenne du gaz interne concerné par le cycle thermodynamique. Dans bien des applications ce gaz pourra être de l'hydrogène, dans d'autres se sera simplement de l'air. Le matériau de la plaque de la source chaude (7) sera bien entendu choisi en fonction de la nature de cette source chaude. Parmi les avantages des moteurs à combustion externe, l'un des premiers est la diversité des moyens d'obtenir de la chaleur qui peuvent être la combustion d'alcool, de gaz divers, d'essence, d'huile, de bots, de charbon, de déchets etc. ce peut être aussi le rayonnement solaire surtout par rapport à une source froide de très basse température, ce peut être enfin la récupération de calories perdues par d'autres usages ou même par la désintégration de radioéléments ou encore la catalyse. Pour adapter les meilleurs rapports de volume en fonction de toutes les phases du cycle et de la vitesse de rotation du moteur, il est possible de surcreuser plus ou moins la tête du piston (2). Ainsi par symetne on peut également surcreuser son autre face ce qui n'a évidemment aucune incidence sur le cycle ou le rendement Les puits de transfert du gaz (5) entre les chambres chaudes et froides traversent de part en part le gros piston en périphérie de l'alésage destiné au piston horizontal et de l'alésage perpendiculaire nécessaire au débattement du vilebrequin. Leur diamètre doit être suffisamment important pour permettre une libre circulation du gaz entre les chambres sans provoquer de pertes de charges afin que celles-ci se maintiennent entre elles à la même pression au même moment du cycle. L'exploitation du moteur Stirling depuis plus d'un siècle a permis d'acquérir une expérience importante concernant les matériaux les mieux adaptés pour confectionner les échangeurs (15) qui ici sont implantés dans les puits de transfert. Comme pour tous moteurs et principalement pour les moteurs ayant peu de couple il est important qu'un volant d'inertie soit installé sur l'axe de vilebrequin. Cet élément trop classique servant aussi à l'équilibrage, n'est donc pas représenté sur les schémas. Si les prototypes de démonstration correspondent pratiquement à l'échelle des dessins, il est évident que la puissance de ce type de moteur sera fonction non seulement de ses dimensions, mais aussi de la différence de température existant entre la source chaude et la source froide. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la production d'énergie rotative dans des milieux très différents allant jusqu'aux stations spatiales en permettant d'utiliser toutes sortes de sources de chaleur et de froid. REVENDICATIONS 1) Moteur à sources thermiques extemes caractérisé par ses deux pistons gigognes croises dans chaque cylindre dont l'un est un piston de travail (2) et l'autre un piston de transfert (l) générant un cycle thermodynamique sans compression mécanique du gaz interne circulant entre la chambre chaude (9) et la chambre froide (10). 2) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gros piston (1) vertical assure le transfert du gaz interne de la chambre chaude (9) à la chambre froide (10) en descendant et le transfert de la chambre froide à la chambre chaude en remontant. 3) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le petit piston (2) central dit de travail entraîne directement le maneton du vilebrequin (3) qui le traverse en son centre sous l'effet de ta surpression créée par le réchauffement du gaz interne transféré dans la chambre chaude tout en participant lui aussi à la circulation du gaz en le refoulant dans la chambre chaude (9) au moment du début de la remontée du gros piston (1). 4) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre chaude (9) est constituée par le volume créé par la remontée du gros piston entre la face inférieure de celui-ci et la face inférieure (7) du carter (6) qui est chauffée par l'extérieur et qui constitue la source chaude de ce moteur thermique. 5) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre froide (10) est constituée par le volume crée par la descente du gros piston, entre la face supérieure de celui-ci et la face supérieure (8) du carter qui se refroidit par l'extérieur et qui constitue la source froide de ce moteur thermique. 6) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le transfert entre la chambre chaude et la chambre froide, occasionné par le déplacement du gros piston, se fait au travers de puits (5) traversant verticalement le gros piston (1) de part en part, en périphérie de l'alésage central du petit piston (2) et de l'alésage perpendiculaire destiné au vilebrequin (3)'' 7) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alimentation en gaz de la chambre inteme (11) de travail et son refoulement se fait par t'intermédiaire d'un puits vertical (4) usiné dans la face inférieure du gros piston et débouchant dans la chambre centrale de travail devant la tête du petit piston. 8) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les puits (5) de transfert du gaz interne traversant de part en part le gros piston contiennent les échangeurs de chaleur (15) encore appelés économiseurs constitués de plusieurs étages de filtres prenant des calories au gaz lors de son transfert de la chambre chaude à la chambre froide et lui restituant dans l'autre sens, leur diamètre devant être suffisamment important pour permettre une libre circulation du gaz entre les chambres sans provoquer de perte de charges afin que celles-ci se maintiennent entre elles à la même pression au même moment. 9) Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les faces supérieures et inférieures du gros piston sont revêtues de semelles (14) à grande inertie thermique, elles-mêmes protégées par plusieurs couches isolantes de manière à limiter la conductibilité du gros piston et faire en sorte que la chambre froide ait ses deux faces les plus froides possible et la chambre chaude ses deux faces les plus chaudes possible. 10) Moteur selon la revendication 1 caractensé en ce qu'il est constitue de 1 ou plusieurs cylindres Identiques en étoile ou en ligne sur le même vilebrequin, régulièrement déphases entre eux de preférence, ou bien sur des vilebrequins indépendants et parallèles, reliés entre eux par pignons.