Brevet FR2961266A1 — publié le 20111216

Cette invention concerne un moteur thermique (à piston, ou rotatif type Wankel) dont l'apport d'énergie calorifique s'effectue à partir d'une source chaude externe qui peut être un fluide chaud ou un rayonnement. Il s'agit de l'application des cycles similaires aux cycles de Stirling ou d'Ericsson. Pour produire de l'énergie mécanique ce moteur utilise un cycle ouvert ou fermé.Le fluide moteur est compressible dans les conditions de fonctionnement du moteur et rejette la chaleur de l'échappement à une source froide de quelque nature que ce soit (fluide ou solide) avec ou sans l'aide d'un échangeur de refroidissement externe selon qu'il s'agit d'un cycle ouvert ou fermé. Le fluide moteur utilisé peut être un fluide frigorigène ou un gaz comme l'air,ou tout fluide susceptible de pouvoir échanger de la chaleur dans les conditions de fonctionnement du moteur. Ce moteur se caractérise en ce qu'il inclut une culasse échangeur qui transfère au fluide interne du moteur l'énergie calorifique prélevée à la source chaude d'un fluide externe au moteur (liquide ou gazeux) ou encore par apport extérieur de chaleur par rayonnement. N'importe quelle forme de récupération de chaleur d'une source chaude peut être utilisée: - À partir d'un concentrateur de rayons solaires, - De la récupération de chaleur des gaz d'échappement de moteur à piston ou d'un cycle de turbine à gaz - À partir d'une source chaude thermale - De la récupération de chaleur à la sortie d'une turbine à vapeur. - Toute source chaude capable d'échanger de la chaleur avec la culasse échangeur. Le fonctionnement de ce moteur n'est pas limité au domaine aérobie, mais il peut utiliser des fluides frigorigènes comme fluide moteur en particulier lorsque la température de la source chaude est faible. Les applications possibles concernent les domaines terrestres, maritimes, aériens ou spatiaux. L'application des cycles de Stirling, Rankine ou Hirn à un moteur thermique n'est pas nouvelle et de nombreux brevets (US 3 180 078, US 4 121 423, DE 101 43 342, GB1 081 499 et plus récemment WO 2008/031939) ont proposé d'utiliser une source de chaleur extérieure comme apport énergétique à partir d'une source chaude. Cependant la plupart de ces brevets posaient les problèmes suivants : - Soit ils utilisaient un échangeur de chaleur indépendant situé à l'extérieur et non solidaire de la chambre du moteur pour récupérer les calories de la source chaude, o Et le volume important de cet échangeur (équivalent à 500 ou 1000 fois le volume mort du cylindre) nécessitait d'abord une première mise en pression de cet échangeur d'où la nécessité de dépenser une énergie mécanique initiale importante incompatible avec les systèmes de démarrage conventionnel (capacité des démarreurs et taille des batteries). o De plus, un débit important d'air était transvasé au travers de cet échangeur extérieur alors que seule une petite quantité de cet air était utile pour produire de l'énergie mécanique dans le cylindre. Il était donc nécessaire de prélever une énergie non négligeable sur le cycle moteur uniquement pour compenser le travail de transvasement de cet air non producteur d'énergie mécanique. o Le transfert d'énergie calorifique prélevée s'effectuait le piston au point mort haut au cours de durées extrêmement faibles (quelques millisecondes selon le régime moteur). Ce transfert s'effectuait en transvasant cet air chaud de l'échangeur extérieur vers le volume mort du cylindre. Ceci nécessitait d'une part l'ajout de soupapes spécifiques supplémentaires (en plus de celles d'admission et d'échappement) de large dimension pour permettre le transvasement de la masse d'air chauffée mais d'autre part les ouvertures et les fermetures de ces soupapes devaient s'effectuer à une pression élevée car proche du point mort haut du piston. Ces hautes pressions et les tubes utilisés pour le transfert de masse de gaz généraient de nombreuses fuites. o Enfin la taille de l'échangeur était incompatible avec des moteurs à forte pression du fait des contraintes engendrées par le différentiel de pression intérieur extérieur de cet échangeur.Les niveaux de contraintes thermique et mécanique étaient proches de celles rencontrées dans les culasses de moteur mais avec des volumes et surfaces d'échangeur bien plus importantes. - Soit ils utilisaient un échangeur de chaleur situé à l'intérieur du moteur (brevet GB1081499). Cependant les canaux ou tubes d'apport de calorie et d'extraction de calorie sont tous deux situés à l'intérieur de la chambre du cylindre du moteur à air. Les dimensions nécessaires aux 2 types de tubes (apport de calorie au fluide et extraction de calorie de la source chaude) n'étaient pas compatibles avec les dimensions du volume mort de la chambre lorsque le piston est point mort haut. Ce système conduit : o soit à des dimensions de tubes trop petites créant ainsi une perte de charge et une contre-pression à l'échappement des autres cylindres qui obèrent le taux de détente de ces cylindres moteurs conventionnels. o soit à des tubes convenablement dimensionnés et le volume mort de la chambre devenait alors trop petit pour placer ces tubes ou conduisait un rapport volumétrique de compression trop élevé avec le niveau de température de la source chaude. L'invention proposée ici permet de résoudre ces problèmes - Grâce d'une part à la culasse échangeur 2 qui distingue l'échangeur externe 11 en contact avec la source chaude située à l'extérieur mais solidaire de la culasse 2 et de la chambre du moteur et l'échangeur interne 9 en contact avec le fluide moteur situé à l'intérieur de cette chambre. Les 2 échangeurs de chaleur 11 et 9 peuvent être l'assemblage de plusieurs pièces telles que montré sur la Figure 8. La pièce 10 est utilisée comme conducteur de chaleur entre la pièce 11 et la pièce 9. Les 2 échangeurs 9 et 11 peuvent également être une même pièce (les pièces 9,10 et 11 forment alors une seule pièce la culasse échangeur 2). Dans la suite du texte, nous appellerons cet ensemble de pièces 9,10 et 11 la culasse échangeur 2 tel que montré sur la figure 7.Cette conformation permet d'obtenir des contraintes thermiques et mécaniques dans la culasse échangeur 2 similaire à celles rencontrées dans les culasses conventionnelles des autres moteurs. Elle permet également de limiter la masse d'air transvasée au cours de I 'échange de chaleur au strict minimum. - Et d'autre part, en optimisant le rapport volumétrique de compression du moteur avec le niveau de température de la source chaude. L'énergie récupérée ou échangée à la source chaude étant gratuite, on réduit ce rapport volumétrique de compression à un niveau suffisamment bas pour libérer un volume mort assez grand lorsque le piston est point mort haut pour y placer l'échangeur de chaleur interne 9. Le rapport volumétrique de compression du moteur, qui ne sera pas au point du meilleur rendement, sera quand même suffisamment élevé pour extraire une énergie mécanique significative. Il s'agit d'accroître la faisabilité technologique au détriment d'une perte de rendement acceptable compte tenu de la gratuité de l'apport de la source chaude. Étude de cycles Les études de cycles et le diagramme de la figure 1 montrent que l'influence du rapport volumétrique de compression du moteur sur le rendement de cycle ou sur l'énergie mécanique extractible est d'autant moins importante que le rapport de température T4/To (source chaude/source froide)est faible. II existe donc un rapport volumétrique de compression optimum pour chaque source chaude. En d'autres termes si l'apport de chaleur de la source chaude est gratuit il est possible d'extraire du travail utile d'un cycle en modifiant le dessin du moteur afin de pouvoir permettre la captation et le transfert de chaleur de cette source chaude au fluide du moteur au travers d'une culasse échangeur. Cette invention propose de réduire le rapport volumétrique de compression du moteur à un niveau suffisamment bas pour permettre d'une part de produire du travail utile et d'autre part pour permettre de placer une culasse échangeur 2 avec un échangeur interne 9 directement placé dans le volume mort libéré dans le cylindre lorsque le piston est point mort haut. Des premiers calculs d'échange, paroi air côté cylindre (loi de Woschni) montrent qu'il est possible de dimensionner un échangeur de chaleur 9 interne au cylindre dont la surface et le volume d'échange aux parois sont cohérents avec d'une part le volume mort disponible (piston point mort haut) et d'autre part le taux de compression du cycle moteur. Le cycle moteur est conventionnel à 2 temps ou 4 temps. L'apport de chaleur au fluide moteur se fait continûment au travers de la culasse échangeur 2 au cours de la compression et de la détente.L'apport initial de chaleur étant gratuit, nous recherchons d'abord à augmenter la surface d'échange de la culasse échangeur 2 tel que montré sur la pièce 9 des figures 4 et 5 tout en dimensionnant un volume mort qui soit cohérent avec le rapport volumétrique de compression du moteur choisi. Bien que cette invention puisse s'appliquer à tout type de moteur à piston, ou rotatif type Wankel et qu'elle puisse trouver diverses type d'application selon la nature de la source chaude disponible (rayonnement ou échanges gazeux) nous nous limiterons dans ce qui suit à la description de moteur à piston conventionnel afin de faciliter la compréhension. Description de l'invention - La figure 1 est un diagramme illustrant l'énergie maximale extractible fonction du rapport volumétrique de compression du moteur pour 3 valeurs de rapport T4/To de température source chaude (T4) sur température source froide (To) données comme exemple. - La figure 2 est une vue de 3/4 d'un exemple de moteur à piston conventionnel 1 équipé d'une culasse échangeur 2. - La figure 3 est une vue de coupe d'un moteur 2 temps équipé d'une culasse échangeur 2. - La figure 4 est une vue de coupe d'un moteur 4 temps équipé d'une culasse échangeur 2 et de soupapes latérales 5 et 6. - La figure 5 est une vue de coupe d'un moteur 2 temps équipé d'une culasse échangeur 2 dont la surface d'échange a été augmentée. - La figure 6 est une vue de coupe d'un moteur rotatif (type Wankel) équipé d'une culasse échangeur 2 adaptée à ce type de moteur. - La figure 7 est une vue de coupe d'une culasse échangeur 2 qui peut - être monobloc mais ici représenté composé de 3 éléments 9 - 10 et 11 - La figure 8 est une vue de coupe selon BB du système de régulation du moteur 1 effectué par obstruction dans cet exemple du passage des fluides chauds en provenance de la source chaude - La figure 9 est une vue de dessus selon DD du système présenté à la figure 8. La figure 10 est une vue de coupe transversale selon AA ou CC du système présenté à la figure 8. La figure 11 est une vue schématique d'une installation utilisant le rayonnement solaire 22 comme source chaude et la position du refroidisseur 19 situé dans l'écoulement d'une rivière 20 ou enterré dans le sol 20 comme source froide à titre d'exemple. L'échangeur interne 9 situé à l'intérieur du cylindre peut être constitué d'ailettes faisant partie intégrante ou solidairement attachée à la culasse échangeur 2 du moteur 1. D'autres types d'échangeurs peuvent être utilisés comme les échangeurs microporeux. L'échangeur de chaleur externe 11 baigné par le fluide de la source chaude (par échange avec un fluide ou par rayonnement) est situé à l'extérieur du cylindre. L'échange de chaleur entre les 2 échangeurs (externe 11 et interne 9) peut se faire par conduction à travers le matériau de la pièce 10 ou à l'aide d'un fluide d'échange entre les 2 échangeurs. Elle présente un profil d'ailettes ou tout autre forme pour échanger la chaleur avec cette source chaude. Les profils et forme d'ailettes d'échanges intérieurs 9 et extérieurs 11 de la culasse échangeur 2 seront adaptés au type de fluide moteur compressible et au type de fluide de la source chaude (liquide ou vapeur d'eau ou gaz d'échappement ou rayonnement) Le moteur thermique 1 à 2 ou 4 temps peut disposer de soupapes conventionnelles ou des lumières couramment rencontrées dans les moteurs actuels pour permettre l'admission 5 et l'échappement 6 du fluide moteur. Ce moteur 1 peut utiliser une lubrification conventionnelle par barbotage ou sous pression hydraulique. Pour séparer la zone de la source chaude de la source froide un joint thermique isolant 7 est disposé entre la culasse échangeur et le corps chemise du cylindre ou bloc-moteur 4 selon le type de moteur afin de réduire le transfert de chaleur de la culasse vers ce corps. L'installation de ce joint 7 sera adaptée au type d'utilisation selon qu'il est nécessaire ou non d'éviter un transfert de calorie vers le bloc-moteur 4 par exemple pour éviter des températures de paroi trop élevées incompatibles avec les caractéristiques du fluide lubrifiant utilisé (exemple huile). Dans certaines conditions d'utilisation de fluide frigorigène, on peut vouloir au contraire conserver un apport de chaleur aux parois pour prévenir une condensation trop rapide du fluide en fin de détente. Dans ce cas, le joint 7 ne sera pas installé et une culasse échangeur 2 à paroi augmentée sera utilisée telle que montré figure 5. Pour améliorer le remplissage et la vidange du cylindre d'un moteur 2 temps équipé de lumières d'admission 5 et d'échappement 6 conventionnelles il est possible d'ajouter 1 ou 2 soupapes latérales ou monté en tête et intégré dans le dessin de la culasse échangeur 2 comme montré figure 4. Ces soupapes additionnelles amélioreront le remplissage en air frais du cylindre moteur 1 . Selon le niveau de température de la source chaude et en fonction du niveau thermique,le bloc-moteur 4 pourra être refroidi par air ou par fluide ou ne pas être refroidi si le niveau de la température de la paroi interne est compatible avec le niveau de température acceptable du fluide lubrifiant (qui peut être de l'huile).Selon le niveau de température de la source chaude une paroi de séparation 8 pourra être installée afin de séparer la source chaude de la source froide ou d'une zone intermédiaire de refroidissement du moteur si le fluide moteur est distinct du fluide de refroidissement comme montré sur la figure 11 dans le cadre d'une application d'un fluide moteur frigorigène. Dans ce cas il est possible par exemple d'enterrer dans le sol 20 ou de placer dans un fluide froid (rivière 20) un refroidisseur 19 qui baigne dans la source froide 20. Une pompe 21 hydraulique ou diphasique (liquide vapeur) pourra être utilisée pour alimenter l'évaporateur 18 qui peut-être à rayonnement également d'où sera transférer la vapeur du fluide moteur vers le moteur 1 comme indiqué sur la figure Il. Enfin pour contrôler de manière simple la puissance du moteur 1 la présente invention propose d'installer une déviation ou obstruction au passage du fluide de la source chaude. Cette déviation pouvant se faire à l'aide d'une paroi mobile 14 installée comme montré sur les figures 8 - 9 et 10 qui peut être déplacer par un vérin ou un moteur électrique ou hydraulique. Les fluides chauds 17 en provenance de la source chaude sont totalement ou partiellement déviés vers la culasse échangeur 2 afin de contrôler la puissance du moteur 1. Sur ces figures 8 - 9 et 10 seul le fluide dévié 16 échange avec la culasse échangeur 2.Ce système utilise les parois fixes 12 ,13 et 8 pour distinguer les débits 16 et 17. On contrôle ainsi la puissance du moteur en contrôlant le débit du fluide de la source chaude. Un autre moyen est d'installer une soupape de mise à l'air libre du cylindre. Le moteur s'arrêtant faute de compression. REVENDICATIONS1. Moteur thermique 1 à piston ou rotatif type Wankel à 2 temps ou à 4 temps équipé de soupapes ou de lumières d'admission 5 et d'échappement 6 caractérisé en ce que ce moteur 1 comporte une culasse échangeur 2 capable d'apporter la chaleur d'une source chaude externe au fluide interne gazeux ou frigorigène du moteur 1 par échange de chaleur avec ce fluide externe ou par rayonnement. 2. Moteur thermique 1 selon la revendication 1 caractérisé en ce que la culasse échangeur 2 est faite en une seule pièce ou est l'assemblage de plusieurs pièces. 3. Moteur thermique 1 selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que la culasse échangeur 2 si elle est l'assemblage de plusieurs pièces se compose d'un échangeur de chaleur 11 externe en contact avec la source chaude externe, un échangeur de chaleur 9 interne en contact avec le fluide gazeux ou frigorigène du moteur 1 et une pièce 10 de conduction de chaleur entre les pièces 9 et 11. Ces 3 pièces 9,10 et 11 forment alors la culasse échangeur 2. 4. Moteur thermique 1 selon les revendications 1,2 et 3 caractérisé en ce qu'un joint isolant 7 est, selon le cas installé entre la culasse échangeur 2 et le corps ou bloc cylindre 4 du moteur 1 afin d'éviter une trop grande température de paroi du bloc cylindre 4. 5. Moteur thermique 1 selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'une paroi de séparation 8 est installée pour séparer la source chaude au niveau du joint d'étanchéité 7 et si cette paroi de séparation 8 n'est pas déjà préexistante. 6. Moteur thermique 1 selon les revendications 1,2 ,3 , 4 et 5 caractérisé en ce qu'une paroi fixe 13 et une paroi mobile 14 sont installées pour réguler le débit de la source chaude externe lorsqu'il s'agit d'un fluide afin de réguler la puissance ou le régime du moteur 1. 7. Moteur thermique 1 selon les revendications 1,2 ,3 , 4 et 5 caractérisé en ce que la 30 culasse échangeur 2 est chauffé par conduction avec un fluide externe ou par rayonnement. 8. Moteur thermique 1 selon les revendications 1,2 ,3 , 4, 5 et 7 caractérisé en ce que le fluide frigorigène du moteur 1 utilise un refroidisseur 19 pour échanger avec la source froide 20 qui est un fluide liquide ou un solide 35 9. Moteur thermique 1 selon les revendications '1,2 ,3 , 4, 5 , 7 et 8 caractérisé en ce que le fluide frigorigène du moteur 1 utilise une pompe 21 hydraulique ou diphasique pour faire circuler le fluide frigorigène vers le moteur 1. 10. Moteur thermique 1 selon les revendications 1,2 ,3 , 4, 5 , 7, 8 et 9 caractérisé en ce que le fluide frigorigène du moteur 1 est vaporisé avec l'évaporateur 18