Brevet FR3021703A1 — publié le 20151204

La présente invention a pour objet une tête de transfert de chaleur pour un moteur à combustion externe capable d'apporter une grande quantité d'énergie à travers une faible surface active et offrant une large plage de variation de la quantité de chaleur transférable. Elle est applicable à tout type de moteur à combustion externe tirant son énergie intégralement de la source chaude ou en tant que système d'apport d'énergie capable d'augmenter l'autonomie d'un moteur fonctionnant à partir de la détente d'un gaz comprimé stocké. Pour les mobiles (automobile, transport, machinisme agricole) les moteurs thermiques à combustion interne se sont imposés dès les premiers temps. Les deux avantages des moteurs à combustion interne étant une grande facilité de mise en oeuvre et la possibilité d'être alimentés par des carburants liquides. Les carburants liquides ont l'avantage considérable de contenir une grande quantité d'énergie sous une faible masse et un faible volume et de plus sous une forme facile à transvaser et à stocker. Les carburants liquides sont pour longtemps encore la meilleure source d'énergie pour les mobiles notamment ceux nécessitant des unités motrices de fortes puissances comme les transports et le machinisme agricole. L'intérêt de carburants liquides donne aux moteurs thermiques un avantage considérable. Malheureusement en exploitation les moteurs actuels à combustion interne ont un rendement beaucoup trop faible, un taux d'émissions polluantes et des coûts de dépollution bien trop élevés pour avoir un réel avenir. Il est important de bien admettre l'importance du problème dans certains secteurs de l'activité humaine comme l'agriculture. Les besoins en énergie mécanique pour cultiver les surfaces nourricières sont considérables, les rendements énergétiques sont très faibles, la population mondiale grandissante et les coûts des carburants issus de réserves fossiles inévitablement croissants, toutes ces causes conduiront à aligner les cours des denrées agricoles sur ceux de l'énergie 35 avec des conséquences tragiques. Aujourd'hui la mécanisation agricole est entièrement confiée à des moteurs diesels dont la 3021703 2 conception a préoccupé leur inventeur à partir de 1870 et malgré le besoin de leur remplacement, pour cause de rendement trop faible et de pollution trop élevée, aucun successeur n'est en gestation. 5 Il est admis que les moteurs à combustion externes ont pour avantages d'offrir des rendements thermiques très satisfaisants permettant d'augmenter les rendement globaux de tous les systèmes les utilisant, de permettre des combustions propres et de pouvoir fonctionner avec des carburants de qualités et 10 d'origines diverses. Un autre de leurs avantages étant la possibilité de pouvoir recycler plus facilement la chaleur qui se perd dans l'échappement et le refroidissement. Dans ces conditions il est évident que, pour les avantages qu'il présente, le moteur à combustion externe pourrait bien être le 15 candidat naturel à la succession du traditionnel moteur à combustion interne. Le couple, carburant liquides et moteur à combustion externe, pourrait donc avoir un avenir certain à condition de simplifier le moteur pour en réduire les coûts et en augmenter la souplesse. 20 Dans le cas des moteurs à combustion externes, produits à ce jour, l'apport de chaleur au fluide de travail se fait par l'intermédiaire d'échangeurs à tubes chauffés par la flamme et les gaz de combustion d'un brûleur. Pour les raisons avancées ci-dessous ce dispositif a de grandes faiblesses qui interdisent 25 la réalisation d'un moteur pour mobile. Dans la plage de puissance nécessaire aux mobiles les principaux problèmes qui retardent la réalisation de moteurs à combustion externe tiennent en premier lieu à la difficulté qu'il y a de réaliser des échangeurs efficaces à faible coût et 30 en second lieu à la difficulté qu'il y a de contrôler la puissance développée, c'est-à-dire la quantité d'énergie qui transite au niveau de l'échangeur chaud pour en faire varier l'intensité de façon importante dans un délai de temps relativement faible. L'échangeur chaud qui apporte l'énergie au médium de travail est donc actuellement la grande faiblesse du moteur à combustion externe. Le système simple d'apport de 3021703 3 chaleur des moteurs à combustion externe actuel composé d'un échangeur à tubes et d'un brûleur est totalement insatisfaisant pour permettre la réalisation d'un moteur de mobile à régime et charge variable. 5 Il est possible d'admettre qu'un moteur à combustion externe peut être évalué en observant le rapport surface d'échange / puissance effective collectée sur l'arbre. Pour les dispositions connues on constate que si l'augmentation de la surface d'échange permet d'accroître la puissance elle implique 10 l'augmentation du volume chaud et donc la nécessité d'augmenter le volume balayé dans le moteur ce qui a pour conséquence de réduire la puissance spécifique. Enfin dans le cas d'échangeurs traditionnels réalisés à partir de tubes l'augmentation de la surface de transfert implique l'augmentation du volume mort - 15 représenté par le volume interne des tubes - ce qui a pour conséquence une baisse du rendement du moteur. Ces premiers constats permettent d'admettre qu'il est difficile de réaliser des moteurs thermiques à combustion externes compacts ayant une bonne puissance spécifique et un bon rendement avec les 20 dispositions connues appliquées à ce jour. Si l'on considère un échangeur de façon simple on admettra qu'il s'agit d'une paroi à travers laquelle transite une quantité de chaleur, cette paroi ayant nécessairement deux surfaces, l'une recevant la chaleur l'autre la transmettant. Si 25 l'on veut augmenter le débit de chaleur à travers la paroi d'un échangeur il est nécessaire d'augmenter l'apport sur la paroi réceptrice et l'évacuation sur la paroi transmettrice. De plus la chaleur transmise au gaz utilisé comme médium de travail se diffusera dans celui-ci en fonction de sa conductivité 30 thermique, qui est malheureusement toujours trop faible, avec pour conséquence que pendant le faible temps appartit au transfert, seule la petite quantité de gaz se trouvant à proximité de la paroi peut absorber de la chaleur. Ce dernier problème a deux conséquences : il réduit la quantité de chaleur 35 collectée sur la paroi transmettrice (donc le débit à travers la paroi de l'échangeur et de fait la puissance maximale du moteur) 3021703 4 et il ne permet au gaz de travail que d'atteindre une température maximale moyenne très inférieure à la température effective de la paroi d'échange (puissance et du rendement inférieurs à ceux pouvant être espérés). Ce dernier problème a 5 été contré par les concepteurs en usant de médiums ayant les meilleurs coefficients de conduction thermique comme l'hydrogène et l'hélium. Malheureusement ces derniers ont des masses très faibles obligeant à augmenter les pressions de chargement du moteur pour augmenter leur densité et donc leur capacité 10 d'absorption thermique. De plus ces derniers gaz ayant des molécules de très faibles dimensions sont très fuyants sous fortes pressions ce qui complique considérablement la réalisation de ces moteurs et augmente notablement leurs coûts. L'invention présentée ici propose donc un système capable 15 d'apporter une grande quantité de chaleur dans une très forte proportion de la masse du médium même ci ce dernier a un faible coefficient de conduction et cela avec une surface d'échange inférieure aux dispositions usées à ce jour et d'offrir de plus une large plage de variation de la quantité de chaleur en 20 transfert. Il est à remarquer que l'invention présentée ici n'est qu'un des éléments d'un ensemble qui permettra la réalisation d'un nouveau type d'unité motrice. Le moteur pour véhicule lourd ou léger capable de s'adapter aux contraintes imposées par les 25 deux principes de la mécanique devra tourner lentement pour se passer de réducteur consommateur d'énergie et avoir de fortes variations de couple pour donner de bonnes accélérations. Dans le cas d'un véhicule industriel ou agricole le réducteur restera indispensable. Quelle que soit l'application du moteur le 30 traditionnel échangeur à tubes réchauffé par un brûleur, malgré sa simplicité, se trouve totalement inadapté. L'invention présentée ici plus complexe que les dispositions connues montre son intérêt au niveau des gains obtenus sur l'unité motrice montée en aval. 35 Les particularités du système tiennent dans l'application de deux concepts. Le premier appliqué au niveau de la paroi 3021703 5 réceptrice de l'échangeur consiste à la fois à augmenter la densité du gaz apportant la chaleur en augmentant sa pression, donc la quantité d'énergie contenue au volume, et ensuite à augmenter sa vitesse d'écoulement pour obtenir un régime 5 transitoire donnant un bon coefficient de transfert thermique. Le second applicable à la paroi transmettrice consiste à utiliser le déplaceur comme outil de captation et de transfert de chaleur. La tête de transfert de chaleur pour un moteur à combustion 10 externe selon l'invention se caractérise essentiellement en ce qu'elle comporte trois éléments dont un seul est fixe et les deux autres mobiles, à savoir : - un premier élément fixe, qui a une forme de cloche, contient un gaz de travail et est monté en tête de cylindre, 15 - un deuxième élément mobile, présentant une forme le rendant apte à venir coiffer ledit premier élément tout en laissant entre les deux éléments un espace permettant la circulation des gaz chauds pressurisés issus d'une enceinte de combustion, et qui est apte, par sa mobilité selon son axe 20 longitudinal, à s'approcher ou s'éloigner dudit élément fixe (1) et contrôler ainsi l'importance de la section de passage des gaz chauds et d'en pulser la circulation, et - un troisième élément, ou déplaceur, mobile et actif dans ledit gaz de travail, présentant une forme le rendant apte, en 25 fin de son mouvement, à épouser intérieurement la forme intérieure dudit premier élément fixe et à s'y maintenir au plus proche ou, par son mouvement selon son axe longitudinal, de s'en éloigner pour permettre audit gaz de travail de venir au contact des parois internes dudit premier élément et des parois externes 30 dudit troisième élément. Selon une caractéristique additionnelle de la tête de transfert, l'élément fixe présente une forme de tronc de cône généré à partir d'une demie-sphère ou d'une pointe d'ogive pour lui conférer sa forme de cloche. 3021703 6 Selon une autre caractéristique additionnelle de la tête de transfert, l'élément mobile est mû au travers d'un actionneur, lui-même piloté par un système de gestion de l'ensemble. Selon une autre caractéristique additionnelle de la tête de 5 transfert, le gaz de travail contenu par le premier élément fixe et dans lequel se meut le troisième élément, est un gaz pur, un mélange de gaz ou un fluide dysphasique. La première partie du système ainsi décrite permet de comprendre comment est apportée l'énergie à la paroi réceptrice 10 chaude et permet d'admettre qu'il est possible d'intervenir sur différents paramètres, vitesse des gaz chauds pression et température pour obtenir des conditions d'échanges optimales et en accord avec les conditions de fonctionnement du moteur auquel le système est adapté. La description suivante permet de 15 comprendre comment la chaleur est transmise au gaz de travail. Le traditionnel déplaceur utilisé dans les moteurs à combustion externe est chargé ici d'une seconde fonction. Outre celle connue de mouvoir le gaz il est ici en charge de « happer » et déplacer la chaleur. Ainsi le déplaceur devient un 20 « déplaceur transmetteur ». Il est à remarquer que dans le cas d'un moteur construit selon un dessin traditionnel comportant bielle, manivelle il sera intéressant d'user d'une cinématique permettant de prolonger l'arrêt le piston au point mort haut - voir FR 2 769 25 949-B1. Il est à remarquer aussi en ce point que la chambre de combustion utilisée est dans sa réalisation fort proche de celles utilisées pour les turbines à gaz avec l'avantage qui suit. 30 L'énergie transitant par le système que présente l'invention est pilotée et contrôlée à partir de la position relative de la tuyère et du récepteur. Cette particularité est un des grands intérêts du système car dans le cas de chambre de combustion pour turbine à gaz la plage de variation de 35 production de gaz est faible de par le fait de problèmes de combustion de tenue de la flamme et d'équilibre entre 3021703 7 fonctionnement de la turbine et du compresseur. Ici il est possible de contrôler à la fois la production des gaz chaud à partir du débit de carburant et du dédit d'air frais - grâce à un compresseur à débit variable pouvant être entraîné par un 5 moteur électrique piloté par un contrôleur- et le transit de cette production grâce au contrôle de la section de sortie. Le fait de pouvoir contrôler et corréler à la fois les débits des gaz frais et de carburant entrant et des gaz chauds sortants permet d'assurer une bonne combustion et une bonne tenue de la 10 flamme quelle que soit le niveau de puissance demandée au système. Une telle disposition permet donc la réalisation d'un moteur à combustion externe ayant une plage de variation de puissance importante le rendant apte à concurrencer le moteur à combustion interne. 15 Les avantages et les caractéristiques de la tête de transfert de chaleur pour un moteur à combustion externe selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente un mode de réalisation non limitatif. 20 Dans le dessin annexé : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une tête de transfert de chaleur pour moteur à combustion externe selon l'invention en position d'absorption de chaleur. - la figure 2 représente la même vue schématique en coupe 25 de la même tête de transfert de chaleur en position transfert de chaleur. - la figure 3 représente toujours la même vue schématique de tête de transfert de chaleur, intégrée dans un ensemble du système opérationnel. 30 Sur ces figures on peut voir tête de transfert de chaleur pour un moteur à combustion externe selon l'invention dont la paroi réceptrice principale, présente la forme d'un tronc de cône généré à partir d'une demie-sphère ou d'une pointe d'ogive. Ce premier élément, appelé récepteur 1, est coiffé d'un élément 35 de forme proche et capable de l'épouser, appelé tuyère 2. Cette tuyère 2 est mobile selon son axe longitudinal et peut être 3021703 8 maintenue à une distance plus ou moins grande du récepteur 1. Entre ces deux éléments 1 et 2 existe donc un espace dont la grandeur dépend de leur position relative. Par cet espace contrôlable, délimitant une section variable, circulent les gaz 5 chauds 4 issus de la chambre de combustion et évacués vers un échangeur E. Le débit et la vitesse des gaz peuvent être contrôlés par la position de la tuyère 2. La tuyère mobile 2 est positionnée en fonction de la puissance demandée, et cela pour maintenir pression et vitesse optimum donnant un coefficient 10 d'échange thermique maximal au niveau de la paroi 1 du récepteur. La chambre de combustion, dans le cas d'un système autonome, est semblable à celle d'une turbine à gaz. On admet que les frontières du récepteur 2 sont inévitablement constituées de deux parois la première, déjà 15 décrite, est dite réceptrice et est au contact des gaz chauds de combustion, la seconde transmettrice est mise au contact du médium. Cette seconde paroi est donc par sa forme proche de celle de la paroi réceptrice - tronc de cône, ogive - et délimite un volume pouvant être occupé par un élément 3 ayant 20 une forme concordante. Cet élément 3 est réalisé en un matériau ayant une capacité thermique intéressante - et une surface optimisée pour absorber le rayonnement - et est mobile, donc capable de s'introduire dans le récepteur 1 ou de s'en extraire. Introduit dans le récepteur 1 il brisa le contact du médium avec 25 la source chaude mais il est en position pour se charger en chaleur rayonnée puisque totalement englobé par la paroi du récepteur 1 alimentée par la source chaude. Cet élément est l'habituel déplaceur, qui ici outre sa fonction de déplacer le gaz est en plus chargé de déplacer la chaleur. Lorsque que se 30 déplaceur transmetteur 3 quitte sa position de repos, de par sa forme tronconique il dégage un espace entre les deux parois que remplit le médium le mettant ainsi en situation de recevoir la chaleur par deux surfaces ; la paroi transmettrice du récepteur et la surface externe du déplaceur transmetteur 3. A remarquer 35 que, la chaleur provenant de la paroi du déplaceur transmetteur 3 n'est que la chaleur stockée dans sa masse et précédemment 3021703 9 accumulée et constamment renouvellée. A remarquer également que, de par leurs formes et malgré la course conséquente du déplaceur 3, la distance séparant les parois restera relativement faible donnant à la chaleur la possibilité d'atteindre le coeur de la 5 charge de gaz. Cet artifice de la disposition permet de doubler la surface d'échange, côté médium, et de rattraper ainsi la performance obtenue sur paroi réceptrice première grâce à la densité et la vitesse des gaz. Plus précisément, sur la figure 1 les gaz chauds 4 issus de 10 la chambre de combustion (non représentée) glissent le long de la paroi du récepteur 1 en étant contenus par la tuyère 2. Le déplaceur 3 est présenté au plus proche de la paroi interne du récepteur 1 ou grâce à la cinématique du système il est maintenu un temps suffisant pour se charger en chaleur rayonnée par le 15 récepteur 1. La tuyère 2 mobile en translation suivant l'axe longitudinal est positionnée et maintenue par un tirant 5 et sa position par rapport au récepteur 1 conditionne l'importance de la section de passage des gaz chauds. Sur la figure 2, le système étant monté sur un haut de 20 cylindre moteur M, deux chambres distinctes A et B sont délimitées. Le piston moteur étant immobilisé au point mort haut la somme des volumes des chambres A et B est le volume des gaz actifs contenus au dessus de lui. Le déplaceur 3 en changeant de position contraint le gaz à quitter l'une des chambres pour 25 rejoindre l'autre en transitant au plus près des parois chaudes. Sur la figure 2 les gaz occupent la zone chaude. Lorsque le déplaceur 3 quitte la position qu'il occupe en figure 2 pour retourner à la position présentée figure 1 les gaz finissent de recevoir la chaleur qu'ils n'ont pas acquise lors du déplacement 30 qu'ils avaient déjà effectué pour passer de 1 à 2. La figure 3 présente le système faisant l'objet de l'invention dans une disposition aboutie avec une chambre de combustion 6, un compresseur électrique à régime variable 7, un injecteur à débit variable 8 et l'actionneur positionneur 9 35 permettant le contrôle de la section de passage des gaz produits 3021703 10 ainsi qu'une unité de commande 10 gérant le tout et l'échangeur 1. Avec un tel système il est possible de gérer, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, la densité ainsi que 5 la température, et donc l'énergie par unité de volume des gaz transitant sur la surface d'échange ainsi que leur vitesse et donc la qualité du régime transitoire et donc le coefficient d'échange. A remarquer que pour un moteur multi cylindres une chambre de combustion unique fournit en gaz toutes les têtes de 10 transfert. Avec cette disposition il est possible d'obtenir une forte variation de la quantité de chaleur admise par la tête de transfert et donc de réaliser un moteur pour mobile permettant de satisfaire, dans le cas d'un véhicule lourd ou léger, les deux lois de base du mouvement en étant capable de fournir une 15 forte puissante nécessaire pour accélérer la masse et compenser la résistance à l'avancement et une puissance beaucoup plus faible lorsque la vitesse sera stabilisée et que seules resteront a compenser les résistances à l'avancement. Dans le cas d'un matériel agricole la plage de variation de puissance 20 ira du seul besoin nécessaire au mouvement de la machine à celui nettement plus important nécessaire lorsque celle-ci passe en traction ou fourni de la puissance à un matériel tracté par l'intermédiaire d'une liaison mécanique ou hydraulique. REVENDICATIONS1) Tête de transfert de chaleur pour un moteur à combustion externe caractérisée en ce qu'elle comporte trois éléments dont un seul est fixe et les deux autres mobiles, à savoir : - un premier élément fixe (1), qui a une forme de cloche, 5 contient un gaz de travail et est monté en tête de cylindre, - un deuxième élément mobile (2), présentant une forme le rendant apte à venir coiffer ledit premier élément tout en laissant entre les deux éléments un espace permettant la circulation des gaz chauds pressurisés (4) issus d'une enceinte 10 de combustion (6), et qui est apte, par sa mobilité selon son axe longitudinal, à s'approcher ou s'éloigner dudit élément fixe (1) et contrôler ainsi l'importance de la section de passage des gaz chauds et d'en pulser la circulation, et - un troisième élément (3), ou déplaceur, mobile et actif 15 dans ledit gaz de travail, présentant une forme le rendant apte, en fin de son mouvement, à épouser intérieurement la forme intérieure dudit premier élément fixe (1) et à s'y maintenir au plus proche ou, par son mouvement selon son axe longitudinal, de s'en éloigner pour permettre audit gaz de travail de venir au 20 contact des parois internes dudit premier élément (1) et des parois externes dudit troisième élément (3). 2) Tête de transfert selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément fixe (1) présente une forme de tronc de cône généré à partir d'une demie-sphère ou d'une pointe 25 d'ogive pour lui conférer sa forme de cloche. 3) Tête de transfert selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément mobile (2) est mû au travers d'un actionneur (9), lui-même piloté par un système de gestion de l'ensemble (10). 30 4) Tête de transfert selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le gaz de travail contenu par le premier élément fixe (1) et dans lequel se meut le troisième élément (3), est un gaz pur, un mélange de gaz ou un fluide dysphasique.