Brevet FR2881477A1 — publié le 20060804

- 1 - La présente invention concerne les moteurs à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes dont le principe fut présenté il y a quelques années, par l'auteur de cette variante améliorée. Ce concept de moteur est à la fois simple et compact. Au départ, il fut conçu et développé en tant que moteur à combustion interne avec injection de carburant, selon un cycle thermodynamique original. Après quelques modifications il fut adapté en moteur thermique externe exploitant simplement la différence de température entre sa face chaude et sa face froide, donc entièrement indépendant de la nature de sa source de chaleur et de froid. Plus tard, une version entièrement hermétique fut étudiée afin de pouvoir être exploitée dans le vide spatial ou dans des conditions spéciales. Ce moteur comporte un piston(6) biface, directement traversé en son centre par le maneton(20) du vilebrequin(9). Ce piston coulisse horizontalement à l'intérieur d'un second piston(5) biface, qui est le piston de transfert du gaz interne, d'un diamètre plus important et qui se déplace verticalement. Ce moteur comporte par conséquent quatre chambres dont les volumes varient en permanence du fait des déplacements des deux pistons bifaces, à savoir: les chambres 1 et 2 situées au- dessous et au-dessus du piston de transfert et les chambres 3 et 4 à l'intérieur de ce gros piston, devant et derrière le piston moteur. 1 5 Le moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes comporte une face chaude(16) chauffée de l'extérieur constituant la paroi circulaire de la chambre 1 et une face froide(17) constituant la paroi circulaire de la chambre 2. Ce moteur selon l'invention, est caractérisé par son cycle très particulier exploitant non seulement la différence de température entre sa face chaude et sa face froide, mais aussi un apport d'air comprimé ce qui 2 0 permet du fait de son architecture de maintenir en permanence une différence de pression importante entre les deux faces des pistons moteurs, les rendant ainsi actifs sur 360 de rotation. Pour profiter du maximum de ses possibilités, ce moteur doit être constitué d'un nombre pair de cylindres de manière à ce que chaque cylindre soit relié à un second cylindre jumeau qui est déphasé de 180 . Ainsi chaque cylindre A étant couplé à un cylindre B déphasé de 180 par un conduit(12) reliant la chambre 2 5 4A aux chambres 1B, 2B, 3B, et inversement par un deuxième conduit reliant la chambre 4B aux chambres 1A, 2A, 3A, ceci fait qu'en permanence les chambres 1A, 2A, 3A, et 4B sont à la même pression, laquelle est inverse de celle des chambres 1B, 2B, 3B, 4A. Ces deux circuits de liaison sont raccordés à un dispositif de distribution(14) permettant la chute de pression par mise à l'atmosphère du gaz du cylindre A en même temps que l'injection d'air comprimé dans le cylindre B et inversement après 180 de rotation. 3 0 Le cycle pour chaque cylindre est le suivant: équilibrage des pressions entre les deux cylindres, suivi immédiatement après par une injection d'air comprimé, transfert de la totalité de l'air de la chambre froide dans la chambre chaude ce qui engendre son réchauffement et sa montée en pression maximum. Cette surpression provoque l'expansion de la chambre 3 par une forte poussée sur le piston moteur dont l'autre face, coté chambre 4 est en dépression. Après 180 de rotation c'est le dégagement de la lumière(11) de la 3 5 chambre 4 de l'autre cylindre qui provoque l'équilibrage des pressions puis immédiatement après l'ouverture à l'atmosphère qui accentue cette chute de pression. Le transfert dans la chambre froide va encore augmenter la dépression ce qui permet au piston moteur de revenir sur 180 réduisant ainsi totalement le volume de la chambre 3. Le phénomène inverse se produit dans le cylindre couplé ce qui fait que les pistons moteurs de chaque cylindre sont en permanence en poussée positive. Le principe est donc très simple: le gaz interne est transféré de la chambre froide (2) à la chambre chaude (1) par le déplacement vertical du gros piston de transfert. Des puits(7) traversant ce piston(5) sont usinés à cet effet. Des économiseurs appelés également régénérateurs sont placés à l'intérieur de ces puits de transfert. Ils retiennent une partie des calories au cours du transfert ce qui fait que le gaz commence à se refroidir avant même d'arriver dans la chambre froide et inversement, commence à se réchauffer avant d'arriver dans la chambre chaude en récupérant les calories abandonnées dans ces échangeurs dans l'autre sens. L'efficacité de ces régénérateurs est directement liée à leur capacité calorifique et à leur surface d'échange. Cette efficacité intervient directement sur le bon rendement du moteur puisqu'il y a moins besoin de prendre des calories à la source chaude et inversement moins besoin d'en perdre sur la plaque froide. Le gaz se retrouvant dans cette chambre chaude se réchauffe instantanément donc monte en pression. La chambre 3 communiquant avec la chambre 1 par une lumière(10) toujours ouverte se retrouve elle-même en pression ce qui repousse le piston moteur(6) et entraîne le vilebrequin sur 180 de rotation. Le transfert du gaz de la chambre chaude à la chambre froide produit l'effet inverse ce qui permet au piston de revenir et de continuer à faire tourner le vilebrequin. La chambre 4 étant reliée par un conduit(12) aux chambres 1-2-3 de l'autre cylindre déphasé de 180 fait qu'il y a en permanence une différence de pression importante entre les 2 faces de ce piston moteur. Une première amélioration concerne une lumière(11) de faible hauteur usinée dans la face inférieure du 2 0 piston de transfert et qui permet au gaz en surpression dans la chambre 4 de passer dans les chambres 1-2-3 du même cylindre et ceci lorsque le piston moteur(6) est en fin de course de compression. C'est donc lui qui dégage la lumière pendant le très court instant du transfert et la referme aussitôt. Ce transfert est intéressant parce qu'il permet de faire chuter instantanément la pression dans le cylindre B et de la faire monter dans le cylindre A créant un équilibre de pression entre les deux cylindres. 2 5 Ceci est autant de calories d'économisées car pour obtenir le même inversement de pression, il aurait fallu attendre le réchauffement dans le cylindre A et le refroidissement dans le cylindre B. Il y a en plus un apport de molécules de gaz, ce qui augmente le phénomène. Après 180 de rotation, c'est le piston moteur de A qui est arrivé en fin de course de compression dans la 4ème chambre et qui dégage la lumière en provoquant le même phénomène en sens inverse. 3 g Ainsi les deux faces du piston moteur sont soumises à une différence de pression importante dans un sens ou dans l'autre, il est donc actif dans les deux sens. Le deuxième aspect de cette amélioration permet d'augmenter encore cette différence de pression. Pour cela, il suffit d'injecter de l'air comprimé ou autre gaz, immédiatement après la fermeture de la lumière de transfert, c'est à dire au début de la phase de compression par réchauffement destinée à repousser le piston moteur 3 5 par augmentation du volume de la chambre 3. Inversement, il faut faire chuter totalement la pression dans l'autre cylindre par une rapide ouverture à l'atmosphère. Il s 'en suit le transfert dans la chambre froide qui va faire descendre la pression audessous de la pression atmosphérique. La différence de pression entre les chambres 1-2-3 des 2 cylindres, donc entre les deux faces opposées des pistons moteurs sera donc encore plus importante, ce qui augmente directement sa puissance. Le détendeurlrégulateur d'air comprimé sera placé sur la plaque froide ce qui permettra de la refroidir d'une 5 part et de réchauffer le détendeur d'autre part. L'injection d'air comprimé et la mise à l'atmosphère se produit soit par des électrovannes, soit par un dispositif de distribution à coulisse ou rotatif (14) lequel sera situé sur les conduits(12) de liaison. Le principe de ce moteur exige que les cylindres soient en nombre pair et déphasés entre eux de 180 mais ils peuvent être installés de différentes manières à savoir plusieurs en ligne sur le même vilebrequin, alignés sur des vilebrequins parallèles, face à face avec leur plaque chaude en vis à vis autour d'un espace central (21) constituant la source chaude, etc. Comme tous les moteurs à sources thermiques externes, son principe est indépendant de la nature de la source chaude ce qui veut dire qu'il peut être chauffé avec de l'hydrogène, avec du méthane ou tout autre carburant ou mode de chauffage (solaire, radioactivité etc.) 1 5 Le gaz interne peut facilement être de l'air ce qui permet d'exploiter le cycle mixte avec l'apport d'air comprimé en début de compression, immédiatement après l'équilibrage des pressions. Ce gaz peut être également de l'hydrogène plus intéressant en tant que caloporteur ou même du méthane. Dans le cas ou l'air comprimé est remplacé par ces autres gaz, l'échappement opéré par le dispositif de distribution ou les électrovannes se fera dans l'espace central(21) de la source chaude et servira directement d'alimentation 2 0 modulée de l'hydrogène ou autre gaz qui en s'oxydant produira la chaleur de la source chaude. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente une coupe suivant le plan central de l'axe des vilebrequins, de deux cylindres jumeaux déphasés de 180 de rotation. La figure 2 représente une coupe suivant le plan perpendiculaire à l'axe des vilebrequins, montrant les 2 5 conduits de liaison(12) et le dispositif de distribution(14) La figure 3 montre le tambour du dispositif de distribution(14) La figure 4 montre une coupe de ce tambour connectant l'arrivée du gaz sous pression(18) avec le cylindre de droite et connectant le cylindre de gauche à l'échappement(l 9). La figure 5 montre une coupe du tambour après une rotation de 90 connectant le cylindre de gauche avec 30 l'arrivée(18) de gaz sous pression et le cylindre de droite avec l'échappement(19). La figure 6 montre une coupe de deux cylindres jumeaux montés en vis à vis, avec leur plaque chaude(16) face à face autour d'un espace central (21) chaud. La figure 7 montre la face inférieure du piston de transfert(5) côté chambre 1. La figure 8 montre un piston moteur biface(6). 3 5 En référence à ces dessins, ce moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes comporte un nombre pair de cylindres puisque le cycle très particulier nécessite le couplage de deux cylindres déphasés entre eux de 180 . Chaque cylindre comporte un piston de transfert(5) qui se déplace verticalement et un piston moteur(6) qui coulisse horizontalement dans un alésage usiné au centre du piston de transfert. Ce piston moteur(6) se déplace donc avec le maneton(20) du vilebrequin(9) qui le traverse directement en son centre. Chaque cylindre comporte 4 chambres; la chambre 1 entre la face inférieure du piston de transfert et la plaque chaude; la chambre 2 entre la face supérieure du piston de transfert et la plaque froide; la chambre 3 dans l'alésage horizontal devant le piston moteur et en communication directe avec la chambre 1 par l'intermédiaire d'une ouverture(10) toujours ouverte usinée dans la face inférieure du piston de transfert; la chambre 4 dans l'alésage horizontal derrière le piston moteur et en communication avec les chambres 1-2-3 de l'autre cylindre au moyen du conduit de liaison(12). Ce conduit de liaison coulisse verticalement dans le corps du piston de transfert pour déboucher dans une cavité(13) située en périphérie du 1 0 fond de cette chambre 4. Les chambres 1-2-3 d'un même cylindre sont à tout instant à la même pression du fait qu'elles communiquent entre elles par des puits(7) traversant le piston de transfert et du fait de l'absence d'étanchéité autour du piston de transfert. Il y a nécessité d'étanchéité seulement autour des pistons moteurs(6) et autour des conduits de liaison(12) 1 5 C'est donc le déplacement du piston de transfert qui fait varier le volume des chambres 1 et 2, et c'est le déplacement du piston moteur qui fait varier le volume des chambres 3 et 4. Une lumière(11) usinée au travers de la face inférieure du piston de transfert met en communication la chambre 4 avec la chambre 1. Cette lumière(11) est dégagée un très court instant lorsque le piston moteur est en fin de course, c'est à dire lorsque la chambre 4 qui est en surpression a atteint son volume maximum. 2 0 Ceci produit l'équilibrage des pressions entre les 2 cylindres jumeaux. Après 180 de rotation, le même phénomène se produit dans l'autre cylindre ce qui fait que les 2 cylindres ont leur pression équilibrée un court instant, tous les 180 de rotation. Immédiatement après, une ouverture à l'atmosphère fait chuter cette pression moyenne. Le transfert vers la chambre froide 2A de l'air contenu dans les chambres 1-2-3 du cylindre A et de la chambre 4B fait encore 2 5 chuter la pression. Ainsi la face avant du piston moteur A et la face arrière du piston moteur B sont en dépression. Inversement, pendant que se produit la mise à l'atmosphère sur le conduit de liaison(12), il se produit une injection d'air comprimé sur l'autre conduit de liaison(12) qui fait instantanément monter la pression dans la chambre 4A et les chambres 1-2-3 du cylindre B; le transfert dans la chambre chaude 1B faisant encore augmenter la pression du fait du réchauffement de cet air, la face avant du piston moteur B et 3 0 la face arrière du piston moteur A sont alors en surpression. Ainsi cette importante différence de pression entre les 2 faces des pistons rnoteurs A et B les pousse et les entraîne en rotation. Après 180 de rotation, le même phénomène se produit à nouveau de façon inverse entre A et B. En résumé, le cycle pour chaque cylindre est le suivant: équilibrage des pressions entre les deux cylindres, 3 5 suivi immédiatement après par une injection d'air comprimé, transfert de la totalité de l'air de la chambre froide dans la chambre chaude ce qui engendre son réchauffement et sa montée en pression maximum. Cette surpression provoque l'expansion de la chambre 3 par une forte poussée sur le piston moteur dont l'autre face, coté chambre 4 est en dépression. Après 180 de rotation c'est le dégagement de la lumière de la chambre 4 de l'autre cylindre qui provoque l'équilibrage des pressions puis immédiatement après l'ouverture à l'atmosphère qui accentue cette chute de pression; le transfert dans la chambre froide va encore augmenter la dépression ce qui permet au piston moteur de revenir sur 180 réduisant ainsi totalement le volume de la chambre 3. Le phénomène inverse se produit dans le cylindre couplé ce qui fait que les pistons moteurs de chaque cylindre sont en permanence en poussée positive. La mise à l'atmosphère peut se faire au moyen d'une électrovanne placée sur chacun des deux conduits de liaison(2). L'injection d'air comprimé ou d'autre gaz peut également être produite par une électrovanne placée elle aussi 1 0 sur chacun des deux conduits de liaison. Une autre version peut utiliser un dispositif de distribution(14) à coulisse ou rotatif, (cylindre tournant deux fois moins vite que le vilebrequin), permettant le moment venu d'ouvrir un conduit sur l'extérieur via un tube d'échappement(19) et en même temps d'injecter l'air comprimé(18) dans l'autre conduit, puis après 90 de rotation du cylindre de distribution, de provoquer le phénomène inverse (fig.4 et 5). Ainsi chaque conduit de liaison, celui de A et celui de B est alternativement relié au tube d'échappement (19) puis à l'arrivée du gaz comprimé(18). La nature de la source chaude comme celle de la source froide sont indépendantes du principe. En effet, la plaque chaude peut être chauffée extérieurement par la combustion d'un combustible, gaz, bois, charbon, huile, etc. par rayonnement, par circulation de fluide caloporteur, par catalyse, par radioactivité dans le cas 2 0 d'applications spéciales, etc. Dans le cas de la catalyse H2 +'/2 02, la plaque chaude peut comporter un revêtement de mousse de platine ou de palladium ou de nickel, etc. qui s'échauffe. Les technologies et les matériaux mis au point pour les piles à combustibles à hautes températures peuvent y trouver une parfaite application, et ce quel que soit le gaz utilisé ( hydrogène, méthane, reformage d'hydrocarbures par exemple ou biomasse gazéifiée). 2 5 La catalyse H2 +'% 02 dégage 286 Kj par mole d'eau produite (18 g) qui sont entièrement destinés à chauffer les faces chaudes et à se transformer en énergie mécanique en fonction du rendement du moteur. Ceci permet d'obtenir un rendement global supérieur à celui de la pile à combustible qui est soumise au potentiel de la transformation du cycle électrique. L'arrivée continue et régulée de H2 et de 02 contre la plaque peut nécessiter d'extraire la vapeur d'eau 3 0 produite. C'est pourquoi un condenseur peut être placé contre les faces latérales du moteur. Enfin, l'air comprimé ou autre gaz provient de bouteilles haute pression de même que l'oxygène et l'hydrogène. Des détendeurs régulateurs de débit sont donc nécessaires afin de réguler la puissance du moteur. Or, qui dit détente d'un gaz dit refroidissement. voilà pourquoi il est intéressant que ces équipements soient en contact avec les plaques froides dans le but de récupérer des calories afin d'éviter le givrage des 3 5 détendeurs et autres régulateurs de pression, ce qui a pour second avantage de refroidir celles-ci et de réchauffer ceux-là. La synchronisation des vilebrequins(9) de deux cylindres jumeaux peut se faire facilement par de simples pignons montés sur ces vilebrequins, en prise directe puisque leur rotation se fait en sens inverse. Un moteur pourra donc comporter plusieurs cylindres, toujours en nombre pair et synchronisés entre eux pour être déphasés de 180 . Quant à leur disposition c'est à dire l'architecture même du moteur, elle est indépendante du principe. Les faces chaudes pourront donc se trouver toutes du même côté ou bien se faire face autour d'un espace chaud central( 21). Il est à noter que ce moteur peut très bien fonctionner sans apport permanent d'air comprimé ou d'autres gaz, ce qui lui évite d'être équipé du système de distribution ou d'électrovannes. Il est seulement moins performant. Comme tous les moteurs à sources thermiques externes ce moteur est pratiquement silencieux, et peut être entièrement non polluant. Sa très grande compacité permet son installation en lieu et place de n'importe quel autre moteur thermique et même pile à combustible. Il est intéressant de noter que le cycle mixte défini précédemment et exploité par ce moteur, peut l'être également par des adaptations de moteurs Stirling traditionnels, moyennant des aménagements 1 5 malheureusement plus sophistiqués que ceux utilisés sur ce moteur à pistons gigognes croisés, très simple et très compact. Le moteur selon l'invention, étant indépendant de la nature de la source de chaleur, est destiné, du fait de sa propreté, de sa simplicité de réalisation et de mise en oeuvre, à remplacer les moteurs à combustion interne très polluants et dépendants du pétrole et même les piles à combustibles dans la plupart de leurs 2 0 applications. REVENDICATIONS 1) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes caractérisé par son cycle très particulier exploitant non seulement la différence de température entre sa face chaude et sa face froide, mais aussi un apport d'air comprimé ou d'autres gaz, ce qui permet du fait de son architecture de maintenir en permanence une différence de pression importante entre les deux faces des pistons moteurs, les rendant ainsi actifs sur 360 de rotation. 2) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes, selon la revendication 1 caractérisé en ce que le cycle pour chaque cylindre est. le suivant: équilibrage des pressions entre les deux cylindres, suivi immédiatement après par une injection d'air comprimé ou d'autre gaz, transfert de la totalité de l'air de la chambre froide dans la chambre chaude ce qui engendre son réchauffement et sa montée en pression maximum. Cette surpression provoque l'expansion de la chambre 3 par une forte poussée sur le piston moteur dont l'autre face, côté chambre 4 est: en dépression. Après 180 de rotation c'est le dégagement de la lumière(11) de la chambre 4 de l'autre cylindre qui provoque l'équilibrage des pressions puis immédiatement après l'ouverture à l'atmosphère qui accentue cette chute de pression. Le transfert dans la chambre froide va encore augmenter la dépression ce qui permet au piston moteur de revenir sur 180 réduisant ainsi totalement le volume de la chambre 3. Le phénomène inverse se produit dans le cylindre couplé ce qui fait que les pistons moteurs de chaque cylindre sont en permanence en poussée positive. 3) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes, selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'apport en gaz comprimé est dû à un dispositif installé sur les circuits (12) de liaison, qui permet la chute de pression par mise à l'atmosphère(19) du gaz du cylindre A en même temps que 2 0 l'injection d'air comprimé(18) ou autres gaz dans le cylindre B et inversement après 180 de rotation; chaque cylindre A étant en effet couplé à un cylindre B déphasé de 180 par un conduit reliant la chambre 4A aux chambres 1B, 2B, 3B, et inversement par un deuxième circuit reliant la chambre 4B aux chambres 1A, 2A, 3A, ce qui fait qu'en permanence les chambres 1A, 2A, 3A, et 4B sont à la même pression laquelle est inverse de celle des chambres 1 B, 2B, 3B, 4A. 2 5 4) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes, selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'équilibrage des pressions entre les deux cylindres jumeaux est dû à une lumière(11) usinée dans la face inférieure des pistons de transfert(5) et qui se trouve dégagée par le piston moteur en fin de course lorsque la chambre 4 est à son volume maximum, ce qui permet au gaz sous plus forte pression contenu dans cette chambre 4 de pénétrer dans la chambre 1 du même cylindre ce qui engendre l'équilibrage 3 0 instantané des pressions dans les deux cylindres. 5) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes, selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que le dispositif permettant l'injection d'air comprimé ou d'autres gaz dans les circuits de liaison(12) est soit des électrovannes soit un dispositif de distribution à coulisse ou rotatif(14) tournant deux fois moins vite que les vilebrequins et reliant l'arrivée de gaz comprimé(18) avec alternativement le conduit du cylindre A puis celui du cylindre B. 6) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes, selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'échappement à l'atmosphère(19) ou dans l'espace central chaud est commandé par une électrovanne placée sur chacun des conduits de liaison(12) ou par le même dispositif de distribution(14) à coulisse ou rotatif reliant le tube d'échappement (19) avec alternativement le conduit du cylindre A puis celui du cylindre B. 7) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes, selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'architecture de ce moteur permet d'installer les détendeurs et régulateurs(15) de débit de gaz comprimés en contact avec la plaque froide(17) afin d'éviter leur givrage d'une part et de refroidir la plaque froide d'autre part. I O 8) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes, selon la revendication 1 caractérisé en ce que, si le principe de ce moteur exige que les cylindres soient en nombre pair et déphasés entre eux de 180 , ceux-ci peuvent être installés de différentes manières à savoir plusieurs en ligne sur le même vilebrequin, alignés sur des vilebrequins parallèles, ou face à face avec leur plaque chaude(16) en vis à vis autour d'un espace central (21) constituant la source chaude, etc. 1 5 9) Moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes, selon la revendication 1 caractérisé en ce que dans le cas où l'air comprimé est remplacé par de l'hydrogène ou du méthane ou autre gaz, l'échappement opéré par le dispositif de distribution(14) ou les électrovannes se fera dans l'espace central(21) de la source chaude et servira directement d'alimentation modulée de l'hydrogène ou autre gaz qui en s'oxydant produira la chaleur de la source chaude.