Brevet FR2969712A1 — publié le 20120629

L'invention concerne un moteur thermique. L'art antérieur connaît les moteurs thermiques dits à combustion interne, tels que par exemple les moteurs à explosion. Ces moteurs comprennent, bien souvent, plusieurs pistons de moteur aptes chacun à coulisser, selon un mouvement rectiligne alternatif, dans un cylindre du moteur. Ce mouvement alternatif est transformé en un mouvement de rotation continu par l'intermédiaire d'un système de bielles reliant le piston au vilebrequin. Chaque cylindre du moteur comprend au moins deux soupapes et notamment une soupape d'admission permettant l'alimentation d'un mélange air/essence dans le cylindre et une soupape d'échappement permettant l'évacuation des gaz brûlés vers l'échappement. Dans ce type de moteur, la combustion du carburant est interne aux cylindres. Parmi les moteurs à explosion, on connaît les moteurs à quatre temps. Les quatre temps du cycle sont les suivants : - admission d'un mélange d'air et de carburant vaporisé par ouverture de la soupape d'admission et descente du piston, - compression du mélange par la fermeture de la soupape d'admission puis remontée du piston qui comprime ledit mélange, - combustion grâce à l'étincelle produite par une bougie 20 d'allumage (temps moteur), - échappement grâce à l'ouverture de la soupape d'échappement et la remontée du piston qui chasse les gaz brûlés. L'art antérieur connaît également les moteurs dits à combustion externe. Dans ce type de moteur, aucune combustion n'a lieu à 25 l'intérieur des cylindres du moteur. L'énergie thermique est fournie par une source de température externe qui est convertie en énergie mécanique par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur subissant, bien souvent, un cycle thermodynamique fermé. Ce type de moteur est communément appelé moteur Stirling, du nom de son inventeur. 30 Ce moteur à combustion externe n'a pas eu le succès du moteur à combustion interne. Son coût est encore non compétitif, principalement en raison du fait qu'il doit être construit à façon alors que les éléments d'un moteur à combustion interne, par exemple un moteur à explosion, sont produits en grande série. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients précités en proposant un moteur thermique, à combustion externe, dont le coût peut être maîtrisé en reprenant, dans sa structure, des éléments couramment utilisés par les moteurs à explosion. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre 10 indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. Aussi, l'invention concerne un moteur thermique comprenant : - au moins deux cylindres, définissant au moins deux chambres internes à l'intérieur de chacun desquelles un piston dudit moteur est apte à coulisser, 15 - un vilebrequin apte à transformer les mouvements linéaires desdits pistons en un mouvement continu de rotation, - des soupapes prévues à l'entrée de chacune desdites chambres internes desdits cylindres, - un dispositif de commande desdites soupapes à l'ouverture 20 et à la fermeture. Selon l'invention, le moteur présente, en outre, pour chaque cylindre : - un échangeur haute température, couplé à une source de chaleur, ainsi qu'une première conduite reliant ledit échangeur haute- 25 température à la chambre interne dudit cylindre, destinée pour l'acheminement des gaz depuis la chambre interne dudit cylindre vers ledit échangeur haute-température, ou encore, pour l'acheminement des gaz réchauffés depuis ledit échangeur haute-température vers la chambre interne dudit cylindre, - un échangeur basse-température, ainsi qu'une deuxième 30 conduite pour l'acheminement des gaz depuis la chambre interne dudit cylindre vers ledit échangeur basse-température et une troisième conduite pour l'acheminement des gaz, depuis ledit échangeur basse-température vers la chambre interne dudit cylindre, et dans lequel moteur : - l'une des soupapes, dite première soupape, est apte à passer d'une position de fermeture de ladite première conduite, vers une position d'ouverture dans laquelle la chambre interne du cylindre et ledit échangeur haute-température sont en communication par l'intermédiaire de ladite première conduite, - l'une des soupapes, dite deuxième soupape, est apte à passer d'une position de fermeture de la deuxième conduite vers une position d'ouverture dans laquelle la chambre interne dudit cylindre et ledit échangeur basse-température sont en communication par l'intermédiaire de ladite deuxième conduite, une autre desdites soupapes, dite troisième soupape, est apte à passer d'une position de fermeture de la troisième conduite vers une position d'ouverture dans laquelle ledit échangeur basse-température et la chambre interne dudit cylindre sont en communication par l'intermédiaire de ladite troisième conduite, et dans lequel moteur ledit dispositif de commande desdites soupapes à l'ouverture et à la fermeture est tel que, lors d'un cycle dudit moteur constitué de quatre phases, chaque phase correspondant à un demi tour du vilebrequin, ledit dispositif de commande desdites soupapes à l'ouverture et à la fermeture provoque, pour chaque cylindre : - lors de la première phase, correspondant au temps moteur, l'ouverture de la première soupape et la fermeture de la deuxième soupape et de la troisième soupape, afin de permettre l'acheminement des gaz réchauffés par ledit échangeur haute-température, depuis ledit échangeur haute-température vers la chambre interne dudit cylindre, - lors de la deuxième phase, l'ouverture de la deuxième soupape et la fermeture de la première soupape et de la troisième soupape, afin de permettre l'acheminement des gaz chauds depuis la chambre interne dudit cylindre vers ledit échangeur basse-température, - lors de la troisième phase, l'ouverture de la troisième soupape et la fermeture de la première soupape et de la deuxième soupape, afin de permettre l'acheminement des gaz refroidis par ledit échangeur basse- température, depuis ledit échangeur basse-température vers la chambre interne dudit cylindre, - lors de la quatrième phase, l'ouverture de la première soupape et la fermeture de la deuxième soupape et de la troisième soupape, afin de permettre l'acheminement des gaz froids depuis la chambre interne dudit cylindre vers ledit échangeur haute-température. Avantageusement, ce moteur thermique à combustion externe reprend des éléments de structure d'un moteur thermique, à explosion, qui aujourd'hui sont produits en grande série, permettant d'en limiter son coût. Selon des caractéristiques optionnelles prises seules ou en combinaison : - ledit échangeur haute-température est identique pour au moins deux cylindres dudit moteur, et additionnellement ou alternativement ledit échangeur basse-température est identique pour au moins deux cylindres dudit moteur ; - le moteur comprend un brûleur de carburant, la source de 20 chaleur étant la flamme engendrée par ledit brûleur de carburant ; - le brûleur de carburant est un brûleur à gaz ; - la source de chaleur est d'origine solaire, ledit moteur comprenant un système de miroir(s) agencé de telle façon à concentrer les rayons du soleil sur ledit échangeur haute-température ; 25 - le dispositif de commande desdites soupapes à l'ouverture et à la fermeture comprend un arbre à cames ; - le moteur présente un nombre de cylindres pair ; - le gaz caloporteur circulant dans lesdits cylindres, ledit échangeur basse-température et lesdites première, deuxième et troisième 30 conduites du moteur est un gaz neutre. L'invention concerne également un véhicule comprenant un moteur thermique selon l'invention. Ce moteur trouvera une utilisation particulière, mais non limitative, pour la production d'électricité ou la production d'air comprimé ou encore pour motoriser un véhicule automobile. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description 5 suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - les figures 1 à 4 représentent respectivement, schématiquement, les quatre phases d'un cycle d'un moteur conforme à l'invention, - la figure 5 est une vue schématique de la culasse du 10 moteur, et plus particulièrement de l'échangeur haute-température, - la figure 6 est une vue de gauche schématique de la culasse du moteur illustrant particulièrement l'échangeur basse-température. Aussi, l'invention concerne un moteur thermique 1 qui comprend : 15 - au moins deux cylindres 2, 3, définissant au moins deux chambres internes à l'intérieur de chacune desquelles un piston 4, 5 dudit moteur est apte à coulisser, - un vilebrequin 6 apte à transformer les mouvements linéaires desdits pistons 4, 5 en un mouvement continu de rotation, 20 - des soupapes 7, 8, 9, prévues à l'entrée de chacune desdites chambres internes desdits cylindres 2, 3, - un dispositif de commande desdites soupapes 7, 8, 9 à l'ouverture et à la fermeture, tel que par exemple comprenant un arbre à cames, ou encore un dispositif dit « camless » comprenant des actionneurs de 25 soupapes électromagnétiques. Ces éléments de structure sont couramment utilisés pour la réalisation de moteurs à combustion interne, tels que par exemple moteurs à explosion. L'invention concerne toutefois un moteur à combustion 30 externe. Selon l'invention, ledit moteur présente, en outre, pour chaque cylindre 2, 3 : - un échangeur haute-température 10, couplé à une source de chaleur ainsi qu'une première conduite 11 reliant ledit échangeur haute-température 10 à la chambre interne du cylindre 2, 3, ladite première conduite 11 étant destinée pour l'acheminement des gaz depuis la chambre interne dudit cylindre 2, 3 vers ledit échangeur haute-température 10, ou encore pour l'acheminement des gaz réchauffés depuis ledit échangeur haute-température 10 vers la chambre interne dudit cylindre 2, 3, - un échangeur basse-température 12 ainsi qu'une deuxième conduite 13 pour l'acheminement des gaz depuis la chambre interne dudit cylindre 2, 3 vers ledit échangeur basse-température 12 et une troisième conduite 14 pour l'acheminement des gaz refroidis, depuis ledit échangeur basse-température 12 vers la chambre interne dudit cylindre 2, 3. Selon le moteur conforme à l'invention : - l'une des soupapes, dite première soupape 7, est apte à passer d'une position de fermeture de ladite première conduite 11 vers une position d'ouverture dans laquelle la chambre interne dudit cylindre 2, 3 et ledit échangeur haute-température 10 sont en communication par l'intermédiaire de ladite première conduite 11, - l'une des soupapes, dite deuxième soupape 8 est apte à passer d'une position de fermeture de la deuxième conduite 13 vers une position d'ouverture dans laquelle la chambre interne du cylindre 2, 3 et ledit échangeur basse-température 12 sont en communication par l'intermédiaire de ladite deuxième conduite 13, une autre desdites soupapes, dite troisième soupape 9, est apte à passer d'une position de fermeture de la troisième conduite 14 vers une position d'ouverture dans laquelle ledit échangeur basse-température 12 et la chambre interne dudit cylindre 2, 3 sont en communication par l'intermédiaire de ladite troisième conduite 14. Selon l'invention, ledit dispositif de commande desdites soupapes 7, 8, 9 à l'ouverture et à la fermeture est tel que, lors d'un cycle du moteur constitué de quatre phases P1, P2, P3, P4, telles qu'illustrées aux 6 figures 1 à 4, chaque phase correspondant à un demi-tour du vilebrequin 6, le dispositif de commande desdites soupapes 7, 8, 9 à l'ouverture et à la fermeture provoque, pour chaque cylindre 2, 3 : - lors de la première phase P1 (figure 1) correspondant au temps moteur, l'ouverture de la première soupape 7 et la fermeture de la deuxième soupape 8 et de la troisième soupape 9, afin de permettre l'acheminement des gaz réchauffés par ledit échangeur haute-température 10, depuis ledit échangeur haute-température 10, vers la chambre interne dudit cylindre 2, 3, le piston 45 descendant sous la pression des gaz, - lors de la deuxième phase P2 (figure 2), l'ouverture de la deuxième soupape 8 et la fermeture de la première soupape 7 et de la troisième soupape 9, afin de permettre l'acheminement des gaz chauds depuis la chambre interne dudit cylindre 2, 3 vers ledit échangeur basse température 12, le piston 45 chassant les gaz vers ledit échangeur basse-température 12, - lors de la troisième phase P3 (figure 3), l'ouverture de la troisième soupape 9 et la fermeture de la première soupape 7 et de la deuxième soupape 8, afin de permettre l'acheminement des gaz refroidis par ledit échangeur basse-température 12, depuis ledit échangeur basse-température 12 vers la chambre interne dudit cylindre 2, 3, le piston 45 descendant, - lors de la quatrième phase P4 (figure 4), l'ouverture de la première soupape 7 et la fermeture de la deuxième soupape 8 et de la troisième soupape 9, afin de permettre l'acheminement des gaz froids depuis la chambre interne dudit cylindre vers ledit échangeur haute température 10, le piston 45 chassant les gaz vers ledit échangeur haute-température 10. Dans le moteur, le gaz caloporteur suit un trajet dans le circuit du moteur qui est fermé et étanche. Ledit circuit est constitué par les chambres du cylindre 2, 3, lesdits échangeurs basse et haute-température 10, 12 et lesdites première, deuxième et troisième conduites 11, 13 et 14. Eventuellement, les pistons 4, 5 peuvent être décalés angulairement, afin que l'un des pistons soit dans la phase moteur P1 alors qu'un autre piston est dans une phase non-moteur du cycle. De préférence, le moteur peut présenter un nombre de cylindres pairs, tels que deux, quatre, six cylindres ou plus. Eventuellement, ledit échangeur haute-température 10 peut être identique pour au moins deux cylindres dudit moteur, les pistons de ces cylindres étant alors synchrones. Eventuellement, ledit échangeur basse-température 12 est identique pour au moins deux cylindres dudit moteur, les pistons de ces cylindres étant alors synchrones. Le moteur peut comprendre un brûleur de carburant, tel que par exemple un brûleur à gaz, la source de chaleur étant la flamme engendrée par le brûleur de carburant. Ledit échangeur basse-température 12 peut être constitué par un échangeur à air, pourvu éventuellement d'un ventilateur pour pulser de l'air frais sur le radiateur du ventilateur. Eventuellement, l'échangeur basse-température 12 peut comprendre un circuit pour un liquide de refroidissement (échangeur gaz/liquide). Selon un mode de réalisation, la source de chaleur peut être d'origine solaire, le moteur comprenant, éventuellement, un système de miroir(s) agencé de telle façon à concentrer les rayons du soleil sur ledit échangeur haute-température 10. Eventuellement, le gaz caloporteur circulant dans le circuit fermé du moteur, constitué des cylindres 2, 3 dudit échangeur haute-température 10, dudit échangeur basse-température 12 et desdites première, deuxième et troisième conduites 11, 13, 14 peut être un gaz neutre. Eventuellement, le gaz circulant dans le circuit fermé peut être mis sous pression, c'est-à-dire à une pression supérieure à 2 bars lorsque le moteur est au repos. Ce moteur trouvera une application particulière pour motoriser un véhicule, pour la production d'électricité ou encore pour la production d'air comprimé. Naturellement, d'autres modes de mise en ceuvre auraient pu 30 être envisagés par l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Moteur thermique (1) comprenant : - au moins deux cylindres (2, 3), définissant au moins deux chambres internes à l'intérieur de chacune desquelles un piston (4, 5) dudit 5 moteur est apte à coulisser, - un vilebrequin (6) apte à transformer les mouvements linéaires desdits pistons (4, 5) en un mouvement continu de rotation, - des soupapes (7, 8, 9) prévues à l'entrée de chacune desdites chambres internes desdits cylindres (2, 3), 10 - un dispositif de commande desdites soupapes (7, 8, 9) à l'ouverture et à la fermeture, caractérisé en ce qu'il présente, en outre, pour chaque cylindre (2, 3): - un échangeur haute-température (10), couplé à une source de chaleur, ainsi qu'une première conduite (11) reliant ledit échangeur 15 haute-température (10) à la chambre interne dudit cylindre (2, 3), destinée pour l'acheminement des gaz depuis la chambre interne dudit cylindre (2, 3) vers ledit échangeur haute-température (10), ou encore, pour l'acheminement des gaz depuis ledit échangeur haute-température (10) vers la chambre interne dudit cylindre (2, 3), 20 - un échangeur basse-température (12), ainsi qu'une deuxième conduite (13) pour l'acheminement des gaz depuis la chambre interne dudit cylindre (2, 3) vers ledit échangeur basse-température (12) et une troisième conduite (14) pour l'acheminement des gaz, depuis ledit échangeur basse-température (12) vers la chambre interne dudit cylindre (4, 5), 25 et dans lequel moteur : - l'une des soupapes, dite première soupape (7), est apte à passer d'une position de fermeture de ladite première conduite (11) vers une position d'ouverture dans laquelle la chambre interne dudit cylindre (2, 3) et ledit échangeur haute-température (10) sont en communication par 30 l'intermédiaire de ladite première conduite (11), - l'une des soupapes, dite deuxième soupape (8) est apte àpasser d'une position de fermeture de la deuxième conduite (13) vers une position d'ouverture dans laquelle la chambre interne dudit cylindre (2, 3) et ledit échangeur basse-température (12) sont en communication par l'intermédiaire de ladite deuxième conduite (13), une autre desdites soupapes, dite troisième soupape (9), est apte à passer d'une position de fermeture de la troisième conduite (14) vers une position d'ouverture dans laquelle ledit échangeur basse-température (12) et la chambre interne dudit cylindre (2, 3) sont en communication par l'intermédiaire de ladite troisième conduite (14), et dans lequel moteur ledit dispositif de commande desdites soupapes à l'ouverture et à la fermeture est tel que, lors d'un cycle dudit moteur constitué de quatre phases (P1, P2, P3, P4), chaque phase correspondant à un demi tour du vilebrequin, ledit dispositif de commande desdites soupapes à l'ouverture et à la fermeture provoque : - lors de la première phase (P1), correspondant au temps moteur, l'ouverture de la première soupape (7) et la fermeture de la deuxième soupape (8) et de la troisième soupape (9), afin de permettre l'acheminement des gaz réchauffés par ledit échangeur haute-température (10), depuis ledit échangeur haute-température (10) vers la chambre interne dudit cylindre (2, 3), - lors de la deuxième phase (P2), l'ouverture de la deuxième soupape (8) et la fermeture de la première soupape (7) et de la troisième soupape (9), afin de permettre l'acheminement des gaz chauds depuis la chambre interne dudit cylindre (2, 3) vers ledit échangeur basse-température (12), - lors de la troisième phase (P3), l'ouverture de la troisième soupape (9) et la fermeture de la première soupape (7) et de la deuxième soupape (8), afin de permettre l'acheminement des gaz refroidis par ledit échangeur basse-température (12) depuis ledit échangeur basse-température (12) vers la chambre interne dudit cylindre (2, 3), - lors de la quatrième phase (P4), l'ouverture de la première soupape (7) et la fermeture de la deuxième soupape (8) et de la troisième soupape (9), afin de permettre l'acheminement des gaz froids depuis lachambre interne dudit cylindre (2, 3) vers ledit échangeur haute-température (10). 2. Moteur selon la revendication 1, présentant ledit échangeur haute-température est identique pour au moins deux cylindres dudit moteur, et additionnellement ou alternativement, ledit échangeur basse-température est identique pour au moins deux cylindres. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, comprenant un brûleur de carburant, la source de chaleur étant la flamme engendrée par ledit brûleur de carburant. 4. Moteur selon la revendication 3, dans lequel le brûleur de carburant est un brûleur à gaz. 5. Moteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la source de chaleur est d'origine solaire, ledit moteur comprenant un système de miroir(s) agencé de telle façon à concentrer les rayons du soleil sur ledit échangeur haute-température (10). 6. Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit dispositif de commande desdites soupapes (7, 8, 9) à l'ouverture et à la fermeture comprend un arbre à cames. 7. Moteur selon l'une des revendications 1 à 6, présentant un 20 nombre pair de cylindres (2, 3). 8. Moteur selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le gaz circulant dans lesdits cylindres (2, 3), ledit échangeur haute-température (10), ledit échangeur basse-température (12) et lesdites première, deuxième, et troisième conduites dudit moteur est un gaz neutre. 25 9. Véhicule comprenant un moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Utilisation du moteur selon l'une des revendications 1 à 8 pour la production d'électricité ou pour la production d'air comprimé.