FR3132737A1 - ALTERNATIVE THERMAL ENGINE - Google Patents
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Abstract
MOTEUR THERMIQUE ALTERNATIF A CULASSE CHAUDE ET CYLINDRE FROID Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid (1) comprend un carter-cylindre refroidi (5) qui reçoit un cylindre froid (6) revêtu d’un film de lubrifiant (7) et dans lequel translate un piston (2) relié à des moyens de transmission de puissance (3) pour former une chambre chaude de volume variable (11) avec une culasse chaude (10) qui est maintenue plaquée mais libre de se dilater sur ledit carter-cylindre (5) par des moyens de plaquage de culasse (24), tandis qu’une calotte chaude (19) est interposée entre ladite chambre (11) et le piston (2) et est maintenue plaquée mais libre de se dilater sur ledit piston (2) par des moyens de plaquage de calotte (23), le piston (2) comportant un anneau d’étanchéité de piston (37) refroidi qui présente des moyens d’étanchéité de piston (30). Figure pour l’abrégé : Fig. 1ALTERNATIVE THERMAL ENGINE WITH HOT CYLINDER HEAD AND COLD CYLINDER The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder (1) comprises a cooled cylinder block (5) which receives a cold cylinder (6) coated with a film of lubricant (7) and in which translates a piston (2) connected to power transmission means (3) to form a hot chamber of variable volume (11) with a hot cylinder head (10) which is kept pressed but free to expand on said crankcase- cylinder (5) by cylinder head plating means (24), while a hot cap (19) is interposed between said chamber (11) and piston (2) and is kept pinned but free to expand on said piston (2) by means of cap plating (23), the piston (2) comprising a cooled piston sealing ring (37) which has piston sealing means (30). Figure for abstract: Fig. 1
Description
La présente invention est relative à un moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid, ledit moteur étant particulièrement adapté à la mise en œuvre du cycle thermodynamique de Brayton à régénération qui est ordinairement réalisée au moyen de compresseurs centrifuges et de turbines.The present invention relates to a reciprocating thermal engine with a hot cylinder head and a cold cylinder, said engine being particularly adapted to the implementation of the Brayton thermodynamic cycle with regeneration which is ordinarily carried out by means of centrifugal compressors and turbines.
Les moteurs à cycle de Brayton à régénération comprennent en général des organes séparés dédiés à chacune des phases dudit cycle, lesdites phases ayant lieu continûment et simultanément dans lesdits organes contrairement aux moteurs à combustion interne alternatifs à cycle de Beau de Rochas, de Miller, d’Atkinson ou de Diesel dont les phases sont exécutées successivement dans un seul et même cylindre.Regenerative Brayton cycle engines generally comprise separate organs dedicated to each of the phases of said cycle, said phases taking place continuously and simultaneously in said organs unlike reciprocating internal combustion engines with Beau de Rochas cycle, Miller cycle, etc. 'Atkinson or Diesel whose phases are executed successively in a single cylinder.
En conséquence, les moteurs à cycle de Brayton à régénération comportent au moins un compresseur, au moins un échangeur de régénération, au moins un brûleur opérant en continu ou une source chaude interne ou externe, et au moins un détendeur.Consequently, regenerative Brayton cycle engines comprise at least one compressor, at least one regeneration exchanger, at least one burner operating continuously or an internal or external hot source, and at least one expander.
Confier chaque phase d’un cycle thermodynamique à un organe dédié présente divers avantages. Notamment, la température des parois internes de chaque dit organe peut rester très proche de celle des gaz durant ladite phase.Entrusting each phase of a thermodynamic cycle to a dedicated body has various advantages. In particular, the temperature of the internal walls of each said organ can remain very close to that of the gases during said phase.
Par exemple, la température des parois internes du compresseur d’un moteur à cycle de Brayton à régénération peut être maintenue la plus basse possible, ce qui contribue à minimiser le travail de compression et à maximiser le rendement thermodynamique total dudit moteur.For example, the temperature of the internal walls of the compressor of a regenerative Brayton cycle engine can be kept as low as possible, which helps to minimize the compression work and maximize the total thermodynamic efficiency of said engine.
A l’inverse, les parois internes du détendeur dudit moteur étant au contact des gaz chauds en provenance du brûleur, leur température doit être élevée et dans tous les cas, maintenue au plus proche possible de la température moyenne desdits gaz entre le début et la fin de leur détente.Conversely, the internal walls of the regulator of said engine being in contact with the hot gases coming from the burner, their temperature must be high and in all cases, maintained as close as possible to the average temperature of said gases between the start and the end. end of their relaxation.
Malgré ces avantages, le rendement thermodynamique maximal des moteurs à compresseurs centrifuges et turbines à cycle de Brayton à régénération n’est en pratique guère plus élevé que celui des moteurs à allumage commandé conventionnels, et au mieux, comparable à celui des moteurs Diesel rapides.Despite these advantages, the maximum thermodynamic efficiency of engines with centrifugal compressors and regenerative Brayton cycle turbines is in practice hardly higher than that of conventional spark ignition engines, and at best, comparable to that of fast diesel engines.
Dans tous les cas, ledit rendement reste inférieur à celui des moteurs Diesel à deux-temps lents de plusieurs dizaines de mégawatts utilisés par exemple pour la propulsion navale ou la production stationnaire d’électricité.In all cases, said efficiency remains lower than that of slow two-stroke diesel engines of several tens of megawatts used for example for naval propulsion or stationary electricity production.
En outre, les moteurs à compresseurs centrifuges et turbines à cycle de Brayton à régénération sont peu adaptés aux faibles puissances, et ne peuvent opérer que sur une plage de puissance restreinte en dehors de laquelle leur rendement baisse drastiquement.In addition, engines with centrifugal compressors and regenerative Brayton cycle turbines are poorly suited to low powers, and can only operate over a restricted power range outside of which their efficiency drops drastically.
C’est pourquoi les moteurs à compresseurs centrifuges et turbines à cycle de Brayton à régénération sont principalement mis au service d’applications dont le rendement n’est pas l’unique objectif, et qui requièrent par exemple une puissance massique et volumique élevée, de faibles émissions acoustiques et vibratoires, une longue durée de vie, ou une maintenance réduite.This is why engines with centrifugal compressors and regenerative Brayton cycle turbines are mainly used for applications where efficiency is not the sole objective, and which require, for example, high specific and volume power, of low acoustic and vibration emissions, long life, or reduced maintenance.
C’est le cas par exemple de certains navires militaires qu’équipe par exemple le moteur à compresseurs centrifuges et turbines à cycle de Brayton à régénération « Rolls-Royce WR-21 », dont le rendement ne dépasse guère quarante pourcent cependant que celui des moteurs Diesel deux-temps lents qui équipent certains navires dépasse cinquante pourcent.This is the case, for example, of certain military ships equipped, for example, with the “Rolls-Royce WR-21” centrifugal compressor and regenerative Brayton cycle turbine engine, whose efficiency hardly exceeds forty percent, however that of the slow two-stroke diesel engines that equip some ships exceed fifty percent.
C’est le cas aussi de certains groupes électrogènes opérant le plus souvent en cogénération d’électricité et de chaleur comme la micro turbine « T100 » de la société « Turbec », ou la micro turbine « C65 » de la société « Capstone », dont les rendements électriques sont de l’ordre de vingt-huit à trente pourcent seulement, mais qui ne demandent que peu de maintenance tout en offrant de très longues durées de vie.This is also the case for certain generators most often operating in cogeneration of electricity and heat such as the “T100” micro turbine from the “Turbec” company, or the “C65” micro turbine from the “Capstone” company. whose electrical efficiencies are of the order of only twenty-eight to thirty percent, but which require little maintenance while offering very long lifespans.
L’avantage de ces turbomoteurs est que leur turbine peut supporter des températures de l’ordre de mille trois-cent degrés Celsius. Toutefois, leur rendement thermodynamique total reste limité par celui des compresseurs centrifuges et des turbines qui les constituent, le rendement desdits compresseurs et desdites turbines n’excédant guère quatre-vingt pour cent sur une plage de fonctionnement relativement étroite.The advantage of these turboshaft engines is that their turbine can withstand temperatures of around one thousand three hundred degrees Celsius. However, their total thermodynamic efficiency remains limited by that of the centrifugal compressors and the turbines which constitute them, the efficiency of said compressors and said turbines hardly exceeding eighty percent over a relatively narrow operating range.
Tenant compte de ce qui précède, il serait particulièrement intéressant de pouvoir remplacer les compresseurs centrifuges et turbines des moteurs à cycle de Brayton à régénération par des machines volumétriques à piston dont le rendement est notoirement plus élevé.Taking the above into account, it would be particularly interesting to be able to replace the centrifugal compressors and turbines of regenerative Brayton cycle engines with positive displacement piston machines whose efficiency is significantly higher.
Ceci est par exemple l’objet du brevet N°US4653269 du 31 mars 1987, où la turbine de détente ordinairement trouvée sur les turbomoteurs à cycle de Brayton à régénération, est remplacée par un cylindre détendeur volumétrique à piston.This is for example the subject of patent No. US4653269 of March 31, 1987, where the expansion turbine usually found on regenerative Brayton cycle turboshaft engines is replaced by a volumetric piston expansion cylinder.
Toutefois, les calculs démontrent que si les parois internes dudit détendeur volumétrique sont refroidies et maintenues par exemple autour de cent degrés Celsius à l’instar des moteurs alternatifs produits et commercialisés à grande échelle, le rendement thermodynamique d’un moteur à cycle de Brayton à régénération ne peut pas dépasser celui d’un moteur Diesel automobile.However, the calculations demonstrate that if the internal walls of said volumetric expander are cooled and maintained for example around one hundred degrees Celsius like the reciprocating engines produced and marketed on a large scale, the thermodynamic efficiency of a Brayton cycle engine at regeneration cannot exceed that of an automobile Diesel engine.
Pour qu’un moteur à cycle de Brayton régénéré à détendeur volumétrique délivre des rendements thermodynamiques très élevés, il est indispensable que les parois internes de son détendeur soient maintenues à une température proche de la température moyenne des gaz détendus dans ledit détendeur.For a regenerated Brayton cycle engine with a volumetric expander to deliver very high thermodynamic efficiencies, it is essential that the internal walls of its expander are maintained at a temperature close to the average temperature of the gases expanded in said expander.
Par exemple, si les gaz chauds sont introduits dans le détendeur à une température de mille trois-cents degrés Celsius et sont expulsés dudit détendeur en fin de détente à une température de six-cents degrés Celsius, les parois internes dudit détendeur doivent être maintenues approximativement à une température de neuf cent cinquante degrés Celsius.For example, if the hot gases are introduced into the regulator at a temperature of one thousand three hundred degrees Celsius and are expelled from said regulator at the end of expansion at a temperature of six hundred degrees Celsius, the internal walls of said regulator must be maintained approximately at a temperature of nine hundred and fifty degrees Celsius.
Le problème, c’est qu’à une telle température, il est impossible de conserver un film d’huile sur les parois du cylindre du détendeur pour lubrifier quelque segment d’étanchéité que ce soit que comporterait un piston de détendeur se déplaçant dans ledit cylindre.The problem is that at such a temperature, it is impossible to keep a film of oil on the walls of the regulator cylinder to lubricate whatever sealing ring a regulator piston may have moving in said cylinder.
En effet, à partir d’environ cent soixante degrés Celsius, le film d’huile sur le cylindre commence à cokéfier, puis brûle au-delà de deux cent cinquante degrés Celsius.Indeed, from around one hundred and sixty degrees Celsius, the oil film on the cylinder begins to coking, then burns above two hundred and fifty degrees Celsius.
Produire un moteur à cycle de Brayton à régénération à haut rendement thermodynamique fait donc face à une double impasse.Producing a regenerative Brayton cycle engine with high thermodynamic efficiency therefore faces a double impasse.
En effet, soit ledit moteur est constitué de compresseurs centrifuges et de turbines résistantes à haute température, mais en ce cas, le rendement modeste de ces organes ne lui permet pas de dépasser un rendement total équivalent à celui d’un Diesel automobile, soit il est constitué d’un détendeur volumétrique à piston qui, pour être étanche, nécessite un piston muni d’une segmentation glissant sur un film d’huile formé en surface d’un cylindre, ce dernier devant pour cela rester à une température n’excédant pas environ cent-vingt degrés Celsius, ce qui ne permet pas non plus au rendement total dudit moteur d’être compétitif.Indeed, either said engine is made up of centrifugal compressors and turbines resistant to high temperatures, but in this case, the modest efficiency of these organs does not allow it to exceed a total efficiency equivalent to that of an automobile Diesel, or it consists of a volumetric piston expander which, to be watertight, requires a piston fitted with a segmentation sliding on an oil film formed on the surface of a cylinder, the latter having to remain at a temperature not exceeding not around one hundred and twenty degrees Celsius, which also does not allow the total efficiency of said engine to be competitive.
Dans ce contexte, il serait avantageux de pouvoir de combiner la faculté des turbines à opérer à haute température avec celle des machines volumétriques à piston à détendre des gaz sous un rendement élevé.In this context, it would be advantageous to be able to combine the ability of turbines to operate at high temperatures with that of volumetric piston machines to expand gases at high efficiency.
C’est dans cet objectif que le moteur thermique à transfert-détente et régénération selon le brevet WO2016120560 publié le 4 août 2016 et appartenant au demandeur comprend des moyens d’étanchéité de piston sans contact constitués d’un anneau continu perforé gonflable qui, lorsqu’il est soumis à une certaine pression interne, gonfle et s’approche à quelques micromètres du cylindre de détendeur avec lequel il coopère sans toucher ledit cylindre, ceci tout en laissant fuir de l’air comprimé via des orifices calibrés qui le traversent de part en part dans son épaisseur radiale.It is with this objective that the heat engine with transfer-expansion and regeneration according to patent WO2016120560 published on August 4, 2016 and belonging to the applicant comprises non-contact piston sealing means consisting of a continuous perforated inflatable ring which, when 'it is subjected to a certain internal pressure, inflates and approaches a few micrometers from the regulator cylinder with which it cooperates without touching said cylinder, this while letting compressed air leak via calibrated orifices which pass through it on both sides part in its radial thickness.
Le dispositif d’étanchéité à coussin de fluide qui vient d’être décrit a également fait l’objet du brevet FR 3032252 délivré le 25 mai 2018 et appartenant au demandeur. Ce dispositif permet bien de réaliser une étanchéité sans contact et donc, de ne plus recourir à de l’huile pour lubrifier un segment opérant par contact, et donc de coopérer avec un cylindre de détendeur chaud, maintenu à une température de plusieurs centaines de degrés Celsius.The fluid cushion sealing device which has just been described was also the subject of patent FR 3032252 issued on May 25, 2018 and belonging to the applicant. This device makes it possible to achieve contactless sealing and therefore to no longer use oil to lubricate a segment operating by contact, and therefore to cooperate with a hot regulator cylinder, maintained at a temperature of several hundred degrees. Celsius.
Dans ce contexte, il devient donc effectivement possible de recourir à un détendeur volumétrique à piston pour réaliser un moteur à cycle de Brayton à régénération, et de maximiser le rendement dudit moteur pour largement surpasser celui des moteurs à cycle de Diesel.In this context, it therefore effectively becomes possible to use a piston volumetric expander to produce a regenerative Brayton cycle engine, and to maximize the efficiency of said engine to largely surpass that of Diesel cycle engines.
En effet, les calculs et simulations démontrent que le rendement thermodynamique d’un moteur à cycle de Brayton à régénération volumétrique à pistons peut atteindre voire dépasser les soixante-dix pourcent, ce qui en pratique peut déboucher sur la production de moteurs dont le rendement énergétique au frein dépasse soixante pourcent une fois déduites les inévitables irréversibilités thermiques et mécaniques dues à la constitution même desdits moteurs.Indeed, calculations and simulations demonstrate that the thermodynamic efficiency of a Brayton cycle engine with piston volumetric regeneration can reach or even exceed seventy percent, which in practice can lead to the production of engines whose energy efficiency to the brake exceeds sixty percent once the inevitable thermal and mechanical irreversibilities due to the very constitution of said motors are deducted.
Le problème rencontré avec le dispositif d’étanchéité à coussin de fluide du brevet N° FR 3032252 est que la température du cylindre reste encore excessive pour les matériaux disponibles dont peut être constitué l’anneau continu perforé.The problem encountered with the fluid cushion sealing device of patent No. FR 3032252 is that the temperature of the cylinder still remains excessive for the available materials of which the continuous perforated ring can be made.
En effet, pour que le rendement d’un moteur à cycle de Brayton à régénération volumétrique à pistons soit significativement plus élevé que celui des moteurs Diesel existants, les gaz doivent être introduits dans son détendeur à une température de l’ordre de mille trois-cent degrés Celsius, sous une pression avoisinant les vingt bars.Indeed, for the efficiency of a Brayton cycle engine with volumetric regeneration with pistons to be significantly higher than that of existing Diesel engines, the gases must be introduced into its expander at a temperature of the order of one thousand three hundred degrees Celsius, under a pressure of around twenty bars.
Il résulte de ces conditions opérationnelles que la température des parois internes du détendeur se stabilise autour de neuf cent cinquante degrés Celsius.As a result of these operational conditions, the temperature of the internal walls of the regulator stabilizes around nine hundred and fifty degrees Celsius.
Etant donné que l’anneau continu perforé selon le brevet N° FR 3032252 est proche du cylindre avec lequel il coopère de seulement quelques microns, en pratique, ledit anneau adopte la température d’environ neuf cent cinquante degrés Celsius dudit cylindre.Given that the continuous perforated ring according to patent No. FR 3032252 is close to the cylinder with which it cooperates by only a few microns, in practice, said ring adopts the temperature of approximately nine hundred and fifty degrees Celsius of said cylinder.
Or, aucun matériau ne peut à la fois permettre de fabriquer ledit anneau et de supporter une telle température.However, no material can both make it possible to manufacture said ring and withstand such a temperature.
Même un superalliage tel que le « Udimet 720 » notamment utilisé en aéronautique et dans l’industrie spatiale et connu pour sa résistance aux températures extrêmes ne peut supporter une telle température sans être sujet au fluage et tout en étant soumis à la contrainte de gonflement qu’impose l’anneau continu perforé du dispositif d’étanchéité à coussin de fluide selon le brevet N° FR 3032252.Even a superalloy such as "Udimet 720", particularly used in aeronautics and the space industry and known for its resistance to extreme temperatures, cannot withstand such a temperature without being subject to creep and while being subject to the swelling stress that requires the continuous perforated ring of the fluid cushion sealing device according to patent No. FR 3032252.
C’est notamment pour cette raison et pour recourir à des matériaux plus usuels que les céramiques résistantes à haute température, que le système de refroidissement régénératif selon le brevet N° EP 3585993 publié le 7 avril 2021 et appartenant au demandeur prévoit d’abaisser la température des parois internes du détendeur et notamment du cylindre à des valeurs pratiques de l’ordre de sept-cents degrés Celsius.It is in particular for this reason and to use more common materials than ceramics resistant to high temperatures, that the regenerative cooling system according to patent No. EP 3585993 published on April 7, 2021 and belonging to the applicant plans to lower the temperature of the internal walls of the regulator and in particular of the cylinder to practical values of the order of seven hundred degrees Celsius.
Par exemple, le superalliage « Udimet 720 » résiste au fluage à une température de sept-cents degrés Celsius s’il est soumis à une contrainte n’excédant pas deux cent trente méga Pascals.For example, the “Udimet 720” superalloy resists creep at a temperature of seven hundred degrees Celsius if it is subjected to a stress not exceeding two hundred and thirty mega Pascals.
Le système de refroidissement régénératif selon le brevet N° EP 3585993 prévoit une enceinte de refroidissement qui enveloppe le détendeur tandis qu’est laissé un espace de circulation des gaz entre ladite enceinte et ledit détendeur dans lequel circulent les gaz sortant du détendeur lui-même à une température comprise entre cinq-cents et six-cents degrés Celsius.The regenerative cooling system according to patent No. EP 3585993 provides a cooling enclosure which envelops the expander while a gas circulation space is left between said enclosure and said expander in which the gases leaving the expander itself circulate at a temperature between five hundred and six hundred degrees Celsius.
Ainsi, selon le système de refroidissement régénératif suivant le brevet N° EP 3585993, les gaz d’échappement du détendeur maintiennent la température des parois internes du détendeur à une température de l’ordre de sept-cents degrés Celsius cependant que la chaleur exportée par lesdits gaz est pour l’essentiel récupérée pour être réintroduite dans le cycle par l’échangeur thermique de régénération que comprend le moteur alternatif à piston à cycle de Brayton à régénération.Thus, according to the regenerative cooling system according to patent No. EP 3585993, the exhaust gases from the expander maintain the temperature of the internal walls of the expander at a temperature of the order of seven hundred degrees Celsius while the heat exported by said gas is essentially recovered to be reintroduced into the cycle by the regeneration heat exchanger which comprises the reciprocating regenerative Brayton cycle piston engine.
Dans ce contexte, le dispositif d’étanchéité à coussin de fluide du brevet FR 3032252 est utilisable avec un anneau continu perforé par exemple réalisé en superalliage « Udimet 720 ».In this context, the fluid cushion sealing device of patent FR 3032252 can be used with a continuous perforated ring, for example made of “Udimet 720” superalloy.
Toutefois, en contrepartie de cette possibilité, le cylindre et les culasses du moteur alternatif à piston à cycle de Brayton à régénération doivent être faits de matériaux à forte teneur en nickel comme la fonte « Niresist » ce qui, du fait de la forte volatilité et du prix élevé du nickel, représente un inconvénient économique.However, in return for this possibility, the cylinder and heads of the regenerative Brayton cycle piston reciprocating engine must be made of materials with a high nickel content such as "Niresist" cast iron which, due to the high volatility and of the high price of nickel, represents an economic disadvantage.
Dans tous les cas, on remarque que la température du détendeur reste au moins de six-cents degrés Celsius plus élevée que celle du reste du moteur et notamment, de l’attelage mobile et du carter de transmission dans lequel est logé ledit attelage.In all cases, we note that the temperature of the regulator remains at least six hundred degrees Celsius higher than that of the rest of the engine and in particular, of the mobile coupling and the transmission casing in which said coupling is housed.
Avantageusement, les dilatations différentielles qui résultent de cet écart de température peuvent notamment être gérées par le cylindre détendeur à double effet à support adaptatif objet du brevet N° EP3350433 délivré le 7 août 2019 et appartenant au demandeur.Advantageously, the differential expansions which result from this temperature difference can in particular be managed by the double-acting expansion cylinder with adaptive support which is the subject of patent No. EP3350433 issued on August 7, 2019 and belonging to the applicant.
Ledit support autorise une dilatation isotrope ou anisotrope du cylindre détendeur qui soit très différente de celle du carter de transmission sur lequel il est fixé, ceci sans compromettre ni le fonctionnement dudit cylindre, ni celui du piston qui évolue dans ledit cylindre.Said support allows an isotropic or anisotropic expansion of the expansion cylinder which is very different from that of the transmission casing on which it is fixed, this without compromising either the operation of said cylinder, nor that of the piston which evolves in said cylinder.
Ledit support conserve en outre le piston centré dans le cylindre, transmet les efforts axiaux résultant de la détente des gaz au carter de transmission, et limite les transferts de chaleur depuis le cylindre de détendeur vers ledit carter.Said support further keeps the piston centered in the cylinder, transmits the axial forces resulting from the expansion of the gases to the transmission casing, and limits heat transfer from the expander cylinder to said casing.
A la lecture de ce qui précède, on comprend qu’aucune configuration n’est à ce stade pleinement satisfaisante qui permette de réaliser dans les meilleures conditions possibles un moteur alternatif à piston à cycle de Brayton à régénération.On reading the above, we understand that no configuration is at this stage fully satisfactory which makes it possible to produce in the best possible conditions a reciprocating piston engine with a regenerative Brayton cycle.
En effet, le dispositif d’étanchéité à coussin de fluide doit être alimenté en air comprimé par un compresseur qui consomme une partie du travail disponible sur l’arbre du moteur alternatif à piston à cycle de Brayton à régénération, au détriment du rendement total de ce dernier.Indeed, the fluid cushion sealing device must be supplied with compressed air by a compressor which consumes part of the work available on the shaft of the regenerative Brayton cycle piston engine, to the detriment of the total efficiency of this last.
Ceci réduit en effet le rendement énergétique final dudit moteur, et ce d’autant plus si ce dernier opère à faible puissance car la quantité d’air comprimé à fournir au dispositif d’étanchéité à coussin de fluide est quasi constante, quels que soient le régime et la charge dudit moteur.This in fact reduces the final energy efficiency of said motor, and all the more so if the latter operates at low power because the quantity of compressed air to be supplied to the fluid cushion sealing device is almost constant, whatever the speed and load of said engine.
Par ailleurs, pour garantir un fonctionnement pérenne au dispositif d’étanchéité à coussin de fluide, il faut recourir au système de refroidissement régénératif selon le brevet N° EP 3585993, or, ledit système n’est pas neutre au plan énergétique.Furthermore, to guarantee long-term operation of the fluid cushion sealing device, it is necessary to use the regenerative cooling system according to patent No. EP 3585993, however, said system is not energy neutral.
En effet, ledit système de refroidissement rend tortueux le cheminement des gaz expulsés du détendeur et induit des pertes de charges qui diminuent le rendement total du moteur alternatif à piston à cycle de Brayton à régénération.In fact, said cooling system makes the path of the gases expelled from the expander tortuous and induces pressure losses which reduce the total efficiency of the regenerative Brayton cycle piston engine.
En outre, la chaleur extraite des parois internes du détendeur par le système de refroidissement régénératif est réintroduite dans le cycle de Brayton en amont d’un brûleur ou d’une source chaude par un échangeur thermique de régénération dont le rendement n’est pas de cent pour cent.In addition, the heat extracted from the internal walls of the expander by the regenerative cooling system is reintroduced into the Brayton cycle upstream of a burner or a hot source by a regeneration heat exchanger whose efficiency is not one hundred percent.
Une part de la chaleur extraite des parois internes du détendeur se retrouve donc perdue, et la puissance passant par l’échangeur augmente du fait de la présence dudit système de refroidissement.Part of the heat extracted from the internal walls of the expander is therefore lost, and the power passing through the exchanger increases due to the presence of said cooling system.
De plus, la puissance massique du moteur alternatif à piston à cycle de Brayton à régénération est sensiblement réduite par le système de refroidissement régénératif selon le brevet N° EP 3585993, ce qui implique de réviser à la hausse le dimensionnement dudit moteur pour tenir les objectifs de puissance de l’application à laquelle il se destine.In addition, the specific power of the regenerative Brayton cycle piston engine is significantly reduced by the regenerative cooling system according to patent No. EP 3585993, which involves revising upwards the dimensioning of said engine to meet the objectives. power of the application for which it is intended.
On note également que la mise au point du dispositif d’étanchéité à coussin de fluide du brevet N° FR 3032252 reste complexe, particulièrement pour en assurer le bon fonctionnement dans le cadre d’applications non-stationnaires soumises à des chocs et vibrations.We also note that the development of the fluid cushion sealing device of patent No. FR 3032252 remains complex, particularly to ensure its proper functioning in the context of non-stationary applications subject to shock and vibration.
C’est pourquoi, sans exclure toute autre application dans quelque domaine que ce soit, le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention est entre autres prévu pour réaliser des moteurs alternatifs à piston à cycle de Brayton à régénération dont le détendeur principalement chaud limite les pertes thermiques, et ceci, tout en assurant une étanchéité robuste et durable entre le piston et le cylindre dudit détendeur.This is why, without excluding any other application in any field whatsoever, the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention is, among other things, intended to produce reciprocating Brayton cycle piston engines with regeneration whose mainly hot regulator limits thermal losses, while ensuring a robust and durable seal between the piston and the cylinder of said regulator.
Dans le domaine d’application des machines thermiques alternative à pistons en général et des moteurs thermiques en particulier, il résulte de l’invention un moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid :
- Dont la culasse et la calotte de piston sont maintenus à haute température de sorte à limiter le refroidissement des gaz chauds à leur contact ;
- Dont l’étanchéité entre le piston et le cylindre peut être réalisée au moyen de segments en fonte ou en acier tels que ceux que comprennent les moteurs à combustion interne conventionnels à allumage commandé ou à cycle de Diesel ;
- Qui ne recourt plus au dispositif d’étanchéité à coussin de fluide objet du brevet N° FR 3032252 et donc, qui ne nécessite plus de système de refroidissement régénératif tel que celui que décrit le brevet N° EP 3585993, et donc, qui ne subit ni les pertes de puissance et de rendement liées à l’emploi d’un compresseur d’alimentation dudit dispositif d’étanchéité, ni les pertes de charges additionnelles à l’échappement du détendeur liées à un parcours des gaz plus tortueux, ni les pertes de chaleur dues au rendement inférieur à « un » de l’échangeur thermique de régénération, ni les pertes en puissance spécifique du moteur associées à cette configuration.
- Whose cylinder head and piston crown are maintained at a high temperature so as to limit the cooling of the hot gases in contact with them;
- Whose seal between the piston and the cylinder can be achieved by means of cast iron or steel segments such as those included in conventional internal combustion engines with spark ignition or Diesel cycle;
- Which no longer uses the fluid cushion sealing device covered by patent No. FR 3032252 and therefore, which no longer requires a regenerative cooling system such as that described in patent No. EP 3585993, and therefore, which no longer undergoes neither the losses of power and efficiency linked to the use of a supply compressor of said sealing device, nor the additional pressure losses at the exhaust of the regulator linked to a more tortuous gas path, nor the losses of heat due to the efficiency less than “one” of the regeneration heat exchanger, nor the specific power losses of the engine associated with this configuration.
En outre, en alternative à des matériaux à forte teneur en nickel comme la fonte « Niresist », la culasse chaude du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention peut être réalisée en carbure de silicium, un matériau à haute résistance mécanique à hautes températures, abondant et bon marché, cependant que le cylindre dudit moteur peut être réalisé en fonte à faible prix de revient telle que celle ordinairement utilisée pour réaliser les carters-cylindres des moteurs Diesel automobiles.Furthermore, as an alternative to materials with a high nickel content such as “Niresist” cast iron, the hot cylinder head of the reciprocating thermal engine with a hot cylinder head and cold cylinder according to the invention can be made of silicon carbide, a high-strength material. mechanical at high temperatures, abundant and cheap, while the cylinder of said engine can be made of low-cost cast iron such as that ordinarily used to make the cylinder housings of automobile Diesel engines.
De plus, la moindre densité du carbure de silicium et l’absence de système de refroidissement régénératif conduisent à un moindre poids du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention et à une moindre capacité calorifique totale dudit moteur, ce qui favorise une montée rapide en température dudit moteur par la réduction de l’énergie nécessaire pour atteindre sa température de fonctionnement, et ce qui conduit à une consommation d’énergie plus faible dudit moteur particulièrement lorsque ce dernier s’applique au transport routier, ferroviaire, ou maritime.In addition, the lower density of silicon carbide and the absence of a regenerative cooling system lead to a lower weight of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention and to a lower total heat capacity of said engine, which promotes a rapid rise in temperature of said engine by reducing the energy necessary to reach its operating temperature, and which leads to lower energy consumption of said engine particularly when the latter applies to road, rail, or maritime.
Il est entendu que le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention peut s’appliquer, outre aux moteurs thermiques en général stationnaires ou mobiles et à combustion interne ou externe, à toute autre application voisine dans son concept et dans son principe qui pourrait avantageusement tirer parti des caractéristiques et fonctionnalités particulières dudit moteur selon l’invention.It is understood that the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention can be applied, in addition to heat engines generally stationary or mobile and with internal or external combustion, to any other application similar in its concept and in its nature. principle which could advantageously take advantage of the particular characteristics and functionalities of said engine according to the invention.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid comprenant un carter-cylindre refroidi dans lequel est aménagé au moins un cylindre froid dans lequel un piston orienté et/ou localisé par des moyens de guidage de piston peut translater, ledit piston étant directement ou indirectement relié par des moyens de transmission de puissance logés dans un carter de transmission à au moins un arbre de sortie de puissance rotatif ou alternatif, comprend
- Des moyens de lubrification qui forment un film de lubrifiant qui s’interpose entre le cylindre froid et le piston ;
- Des moyens de refroidissement de carter-cylindre qui refroidissent le carter-cylindre refroidi de sorte à maintenir tout ou partie de la surface interne du cylindre froid à une température suffisamment basse pour que le film de lubrifiant ne vieillisse pas prématurément, ne cokéfie pas, ou ne brûle pas ;
- Au moins une culasse chaude dont la température de fonctionnement est significativement supérieure à celle du carter-cylindre refroidi qu’elle coiffe pour former avec le piston une chambre chaude de volume variable qui renferme un gaz de travail, ladite culasse étant d’une part, maintenue plaquée sur le carter-cylindre refroidi par des moyens de plaquage de culasse qui la laissent libre de se dilater par rapport audit carter-cylindre, et d’autre part, localisée par rapport audit carter-cylindre par des moyens de centrage de culasse ;
- Au moins un anneau d’étanchéité de piston aménagé en périphérie du piston, ledit anneau comportant d’une part, des moyens d’étanchéité de piston qui forment une étanchéité entre le piston et le cylindre froid, et étant d’autre part, refroidi par des moyens de refroidissement d’anneau d’étanchéité ;
- Au moins une calotte chaude qui est interposée entre la chambre chaude de volume variable et le piston et dont la température de fonctionnement est significativement supérieure à celle du carter-cylindre refroidi, ladite calotte étant d’une part, maintenue plaquée sur le piston par des moyens de plaquage de calotte qui laissent ladite calotte libre de se dilater par rapport audit piston, et d’autre part, localisée par rapport audit piston par des moyens de centrage de calotte.
- Lubrication means which form a film of lubricant which is interposed between the cold cylinder and the piston;
- Cylinder case cooling means which cools the cooled cylinder case so as to maintain all or part of the internal surface of the cold cylinder at a sufficiently low temperature so that the lubricant film does not age prematurely, does not coke, or does not burn;
- At least one hot cylinder head whose operating temperature is significantly higher than that of the cooled cylinder block which it covers to form with the piston a hot chamber of variable volume which contains a working gas, said cylinder head being on the one hand, kept pressed against the cooled cylinder block by cylinder head clamping means which leave it free to expand relative to said cylinder block, and on the other hand, located in relation to said cylinder block by cylinder head centering means;
- At least one piston sealing ring arranged on the periphery of the piston, said ring comprising on the one hand, piston sealing means which form a seal between the piston and the cold cylinder, and being, on the other hand, cooled by sealing ring cooling means;
- At least one hot cap which is interposed between the hot chamber of variable volume and the piston and whose operating temperature is significantly higher than that of the cooled cylinder block, said cap being on the one hand kept pressed against the piston by cap-plating means which leave said cap free to expand relative to said piston, and on the other hand, located relative to said piston by cap-centering means.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend des moyens étanches d’isolation thermique qui sont interposés entre le carter-cylindre refroidi et la culasse chaude.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises sealed thermal insulation means which are interposed between the cooled cylinder block and the hot cylinder head.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend des moyens d’isolation thermique qui sont interposés entre la calotte chaude et le piston.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises thermal insulation means which are interposed between the hot cap and the piston.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend des moyens étanches d’isolation thermique et/ou des moyens d’isolation thermique qui sont constitués d’au moins un anneau isolant fait d’un matériau à faible conductivité thermique.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises sealed thermal insulation means and/or thermal insulation means which consist of at least one insulating ring made of a material with low thermal conductivity .
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un matériau à faible conductivité thermique qui est principalement constitué d’oxyde de zirconium.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a material with low thermal conductivity which is mainly made up of zirconium oxide.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un anneau isolant qui forme les moyens étanches d’isolation thermique qui est directement ou indirectement en contact avec le carter-cylindre refroidi et/ou avec la culasse chaude par l’intermédiaire d’au moins une arête de contact de faible surface qui empêche le gaz de travail de passer entre le carter-cylindre refroidi et la culasse chaude.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises an insulating ring which forms the sealed means of thermal insulation which is directly or indirectly in contact with the cooled cylinder block and/or with the hot cylinder head by the intermediate of at least one contact edge of small surface which prevents the working gas from passing between the cooled cylinder block and the hot cylinder head.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un anneau isolant qui forme les moyens d’isolation thermique qui est directement ou indirectement en contact avec la calotte chaude et/ou avec le piston par l’intermédiaire d’au moins une arête de contact de faible surface.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises an insulating ring which forms the thermal insulation means which is directly or indirectly in contact with the hot cap and/or with the piston via at minus a contact edge of small surface area.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un joint d’étanchéité de culasse qui est interposé entre l’anneau isolant qui forme les moyens étanches d’isolation thermique et le carter-cylindre refroidi et/ou entre ledit anneau et la culasse chaude.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a cylinder head seal which is interposed between the insulating ring which forms the sealed means of thermal insulation and the cooled cylinder block and/or between said ring and hot breech.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un joint d’étanchéité de piston qui est interposé entre l’anneau isolant qui forme les moyens d’isolation thermique et la calotte chaude et/ou entre ledit anneau et le piston.The reciprocating heat engine with a hot cylinder head and a cold cylinder according to the invention comprises a piston seal which is interposed between the insulating ring which forms the thermal insulation means and the hot cap and/or between said ring and the piston.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une culasse chaude et/ou une calotte chaude qui sont en tout ou partie constitués d’un matériau résistant à hautes températures.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a hot cylinder head and/or a hot cap which are entirely or partly made of a material resistant to high temperatures.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un matériau résistant à hautes températures qui est principalement constitué de carbure de silicium.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a material resistant to high temperatures which is mainly made of silicon carbide.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une culasse chaude qui présente une surface conique concave de culasse par l’intermédiaire de laquelle ladite culasse est maintenue plaquée par les moyens de plaquage de culasse sur une arête circulaire de contact de cylindre aménagée sur le carter-cylindre refroidi, l’angle du cône concave que forme ladite surface étant tel que lorsque ladite surface glisse sur ladite arête du fait de l’écart entre la dilatation thermique de ladite culasse et celle dudit carter-cylindre, la distance axiale qui sépare le point d’appui des moyens de plaquage de culasse sur la culasse chaude du carter-cylindre refroidi reste approximativement constante toute chose égale par ailleurs, cependant que la surface conique concave de culasse et l’arête circulaire de contact de cylindre forment les moyens de centrage de culasse.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a hot cylinder head which has a concave conical cylinder head surface through which said cylinder head is kept pressed by the cylinder head plating means on a circular contact edge cylinder arranged on the cooled cylinder block, the angle of the concave cone formed by said surface being such that when said surface slides on said edge due to the difference between the thermal expansion of said cylinder head and that of said cylinder block, the axial distance which separates the point of support of the cylinder head plating means on the hot cylinder head of the cooled cylinder block remains approximately constant all other things being equal, while the concave conical surface of the cylinder head and the circular contact edge of cylinder form the cylinder head centering means.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une calotte chaude qui présente une surface conique concave de calotte par l’intermédiaire de laquelle ladite calotte est maintenue plaquée par les moyens de plaquage de calotte sur une arête circulaire de contact de piston aménagée sur le piston, l’angle du cône concave que forme ladite surface étant tel que lorsque ladite surface glisse sur ladite arête du fait de l’écart entre la dilatation thermique de ladite calotte et celle du piston, la distance axiale qui sépare le point d’appui des moyens de plaquage de calotte sur la calotte chaude du piston reste approximativement constante toute chose égale par ailleurs, cependant que la surface conique concave de calotte et l’arête circulaire de contact de piston forment les moyens de centrage de calotte.The reciprocating heat engine with a hot cylinder head and a cold cylinder according to the invention comprises a hot cap which has a concave conical cap surface through which said cap is held pressed by the cap plating means onto a circular contact edge. piston arranged on the piston, the angle of the concave cone formed by said surface being such that when said surface slides on said edge due to the difference between the thermal expansion of said cap and that of the piston, the axial distance which separates the point of support of the crown pressing means on the hot piston crown remains approximately constant all other things being equal, while the concave conical surface of the crown and the circular piston contact edge form the crown centering means .
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une calotte chaude qui présente en sa périphérie un cordon de passivation aérodynamique.The reciprocating heat engine with a hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a hot cap which has an aerodynamic passivation cord at its periphery.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un extérieur de la culasse chaude qui est recouvert d’un isolant thermique.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises an exterior of the hot cylinder head which is covered with a thermal insulator.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un anneau d’étanchéité de piston qui présente des moyens de guidage de piston constitués d’une surface de glissement annulaire.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a piston sealing ring which has piston guiding means consisting of an annular sliding surface.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un carter-cylindre refroidi qui est maintenu enserré entre une culasse chaude inférieure et une culasse chaude supérieure par les moyens de plaquage de culasse cependant que le piston est à double effet et comprend d’une part, une tige inférieure de piston qui le relie aux moyens de transmission de puissance et qui traverse de part en part la culasse chaude inférieure via un orifice de tige inférieure, et d’autre part, une calotte chaude inférieure et une calotte chaude supérieure pour définir avec les culasses chaudes inférieure et supérieure une chambre chaude de volume variable inférieure et une chambre chaude de volume variable supérieure.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a cooled cylinder block which is held between a lower hot cylinder head and an upper hot cylinder head by the cylinder head plating means while the piston is double-acting and comprises on the one hand, a lower piston rod which connects it to the power transmission means and which passes right through the lower hot cylinder head via a lower rod orifice, and on the other hand, a lower hot cap and a upper hot cap to define with the lower and upper hot cylinder heads a lower hot chamber of variable volume and an upper hot chamber of variable volume.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend :
- Au moins un pilier évidé qui est traversé de part en part dans le sens de sa longueur par un tunnel de tige, une première extrémité de pilier dudit pilier reposant directement ou indirectement sur le carter de transmission tandis qu’une deuxième extrémité de pilier dudit pilier supporte la culasse chaude inférieure, ladite première extrémité pouvant pivoter autour d’une liaison rotule et/ou fléchir par rapport audit carter cependant que ladite deuxième extrémité peut pivoter autour d’une liaison rotule et/ou fléchir par rapport à ladite culasse chaude inférieure ;
- Au moins une tige de traction qui forme les moyens de plaquage de culasse et qui est, au moins pour partie, logée dans le tunnel de tige, une première extrémité de tige de ladite tige de traction étant directement ou indirectement arrimée au carter de transmission tandis qu’une deuxième extrémité de tige de ladite tige est directement ou indirectement arrimée à la culasse chaude supérieure, ladite première extrémité pouvant pivoter autour d’une liaison rotule et/ou fléchir par rapport audit carter tandis que ladite deuxième extrémité peut pivoter autour d’une liaison rotule et/ou fléchir par rapport à ladite culasse ;
- Des moyens de centrage de culasse inférieure qui sont solidaires du carter de transmission et qui prennent directement ou indirectement appui sur la culasse chaude inférieure, lesdits moyens laissant ladite culasse libre de se déplacer sur une courte distance parallèlement à l’axe longitudinal du cylindre froid et par rapport au carter de transmission, mais interdisant à ladite culasse de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe par rapport audit carter ;
- Des moyens de centrage de culasse supérieure qui sont solidaires d’un portique de centrage lequel est rigidement fixé au carter de transmission, lesdits moyens prenant directement ou indirectement appui sur la culasse chaude supérieure, et lesdits moyens laissant ladite culasse libre de se déplacer sur une courte distance parallèlement à l’axe longitudinal du cylindre froid et par rapport au carter de transmission, mais interdisant à ladite culasse de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe par rapport audit carter.
- At least one hollow pillar which is crossed right through in the direction of its length by a rod tunnel, a first pillar end of said pillar resting directly or indirectly on the transmission casing while a second pillar end of said pillar supports the lower hot cylinder head, said first end being able to pivot around a ball joint and/or flex relative to said casing while said second end can pivot around a ball joint and/or flex relative to said lower hot cylinder head;
- At least one traction rod which forms the cylinder head plating means and which is, at least in part, housed in the rod tunnel, a first rod end of said traction rod being directly or indirectly secured to the transmission casing while that a second rod end of said rod is directly or indirectly secured to the upper hot cylinder head, said first end being able to pivot around a ball joint and/or flex relative to said casing while said second end can pivot around a ball joint and/or flex relative to said cylinder head;
- Lower cylinder head centering means which are integral with the transmission casing and which directly or indirectly bear on the lower hot cylinder head, said means leaving said cylinder head free to move over a short distance parallel to the longitudinal axis of the cold cylinder and relative to the transmission casing, but preventing said cylinder head from moving in the plane perpendicular to said axis relative to said casing;
- Upper cylinder head centering means which are integral with a centering gantry which is rigidly fixed to the transmission casing, said means bearing directly or indirectly on the upper hot cylinder head, and said means leaving said cylinder head free to move on a short distance parallel to the longitudinal axis of the cold cylinder and relative to the transmission casing, but prohibiting said cylinder head from moving in the plane perpendicular to said axis relative to said casing.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un tube de refroidissement de tige qui enveloppe de façon étanche la tige de traction sur tout ou partie de la longueur de ladite tige, un liquide caloporteur provenant d’une source de liquide de refroidissement pouvant circuler dans un espace laissé entre la paroi interne dudit tube et la surface externe de ladite tige cependant que la plus grande part possible de la surface externe dudit tube ne touche pas la paroi interne du tunnel de tige de sorte à définir avec cette dernière paroi un espace vide.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a rod cooling tube which sealingly envelops the traction rod over all or part of the length of said rod, a heat transfer liquid coming from a heat source. cooling liquid capable of circulating in a space left between the internal wall of said tube and the external surface of said rod while the greatest possible part of the external surface of said tube does not touch the internal wall of the rod tunnel so as to define with this last wall an empty space.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend au moins un premier orifice d’alimentation de tube qui communique avec l’intérieur du tube de refroidissement de tige au voisinage de la première extrémité de tige, et au moins un deuxième orifice d’alimentation de tube communique avec l’intérieur du tube de refroidissement de tige au voisinage de la deuxième extrémité de tige, le liquide caloporteur pouvant circuler entre les deux dits orifices.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises at least a first tube feed port which communicates with the interior of the rod cooling tube in the vicinity of the first rod end, and at least one second tube supply orifice communicates with the interior of the rod cooling tube in the vicinity of the second rod end, the heat transfer liquid being able to circulate between the two said orifices.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un tube de refroidissement de tige qui comporte une collerette de tube maintenue directement ou indirectement serrée par la tige de traction soit contre une oreille de fixation que présente la culasse chaude supérieure, soit contre le carter de transmission.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a rod cooling tube which comprises a tube collar held directly or indirectly clamped by the traction rod either against a fixing ear which the upper hot cylinder head presents, or against the transmission case.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une collerette de tube qui est maintenue serrée par la tige de traction contre l’oreille de fixation par l’intermédiaire d’un raccord Banjo qui comporte au moins un conduit radial de raccord qui est relié à la source de liquide de refroidissement d’une part, et qui communique avec l’intérieur du tube de refroidissement de tige d’autre part.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a tube collar which is held tight by the traction rod against the fixing ear via a Banjo connection which comprises at least one radial conduit connection which is connected to the source of coolant on the one hand, and which communicates with the interior of the rod cooling tube on the other hand.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une rehausse d’isolation thermique qui est intercalée entre la collerette de tube et l’oreille de fixation, ladite rehausse étant traversée de part en part dans le sens de sa longueur par un tunnel de rehausse dans lequel est logée la tige de traction et le tube de refroidissement de tige qui l’enveloppe de façon étanche, cependant que la plus grande part possible de la surface externe dudit tube ne touche pas la paroi interne du tunnel de rehausse de sorte à définir avec cette dernière paroi un espace vide.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a thermal insulation extension which is interposed between the tube collar and the fixing ear, said extension being crossed right through in the direction of its length by an extension tunnel in which the traction rod is housed and the rod cooling tube which envelops it in a sealed manner, while as much as possible of the external surface of said tube does not touch the internal wall of the extension tunnel raises so as to define an empty space with this last wall.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un tube de refroidissement de tige qui comporte au moins un renflement de tube constitué d’une portion axiale dudit tube dont le diamètre libre est sensiblement équivalent voire légèrement supérieur à celui du tunnel de tige dans lequel il est logé.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a rod cooling tube which comprises at least one tube bulge consisting of an axial portion of said tube whose free diameter is substantially equivalent or even slightly greater than that of the stem tunnel in which it is housed.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un tube de refroidissement de tige qui comporte au moins une restriction de diamètre de tube constituée d’une portion axiale dudit tube dont le diamètre libre est sensiblement équivalent voire légèrement inférieur à celui du corps de la tige de traction.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a rod cooling tube which comprises at least one tube diameter restriction consisting of an axial portion of said tube whose free diameter is substantially equivalent or even slightly less than that of the pull rod body.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une tige de traction qui est creuse pour former un canal interne de refroidissement de tige aménagé dans la longueur de ladite tige, ledit canal débouchant axialement ou radialement au voisinage de chaque extrémité ladite tige tandis qu’un liquide caloporteur provenant d’une source de liquide de refroidissement peut circuler dans ledit canal.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a traction rod which is hollow to form an internal rod cooling channel arranged in the length of said rod, said channel opening out axially or radially in the vicinity of each end said rod while a heat transfer liquid coming from a coolant source can circulate in said channel.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une chambre de refroidissement et de lubrification de piston qui est reliée à une source de fluide lubrifiant-refroidissant et qui est fixée sur le portique de centrage ou aménagée sur ou dans ce dernier tandis qu’une tige supérieure de piston qui prolonge le piston à double effet du coté de la chambre chaude de volume variable supérieure traverse la culasse chaude supérieure via un orifice de tige supérieure aménagé dans ladite culasse et via un orifice d’accès à la chambre de refroidissement et de lubrification traversant le portique de centrage pour déboucher dans la chambre de refroidissement et de lubrification de piston de sorte que l’extrémité de la tige supérieure de piston qui est la plus éloignée dudit piston reste toujours plongée dans ladite chambre quelle que soit la position dudit piston.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a piston cooling and lubrication chamber which is connected to a source of lubricating-cooling fluid and which is fixed on the centering gantry or arranged on or in this last while an upper piston rod which extends the double-acting piston on the side of the hot chamber of upper variable volume passes through the upper hot cylinder head via an upper rod orifice arranged in said cylinder head and via an access orifice to the cooling and lubrication chamber passing through the centering gantry to open into the piston cooling and lubrication chamber so that the end of the upper piston rod which is furthest from said piston always remains immersed in said chamber whatever or the position of said piston.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un fluide lubrifiant-refroidissant qui peut circuler depuis la chambre de refroidissement et de lubrification de piston jusqu’au carter de transmission en passant successivement via un canal interne de tige supérieure de piston aménagé longitudinalement dans la tige supérieure de piston, via une cavité interne de piston, et via un canal interne de tige inférieure de piston aménagé longitudinalement dans la tige inférieure de piston.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a lubricating-cooling fluid which can circulate from the cooling and piston lubrication chamber to the transmission casing by passing successively via an internal upper rod channel of piston arranged longitudinally in the upper piston rod, via an internal piston cavity, and via a lower piston rod internal channel arranged longitudinally in the lower piston rod.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une périphérie de la cavité interne de piston qui communique avec la face périphérique externe de l’anneau d’étanchéité de piston via au moins un orifice périphérique de lubrification d’anneau qui débouche axialement entre au moins deux moyens d’étanchéité de piston, ledit orifice constituant les moyens de lubrification.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a periphery of the internal piston cavity which communicates with the external peripheral face of the piston sealing ring via at least one peripheral ring lubrication orifice which opens axially between at least two piston sealing means, said orifice constituting the lubrication means.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un carter de transmission qui est coiffé d’une platine de centrage et d'étanchéité percée d’un orifice d’accès aux moyens de transmission au travers duquel passe la tige inférieure de piston pour être reliée aux moyens de transmission de puissance, ladite platine étant rigidement fixée sur ledit carter.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a transmission casing which is covered with a centering and sealing plate pierced with an access orifice to the transmission means through which the rod passes lower piston to be connected to the power transmission means, said plate being rigidly fixed to said casing.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un orifice d’accès à la chambre de refroidissement et de lubrification qui comprend des moyens d’étanchéité de tige réalisant une étanchéité entre ledit orifice et la tige supérieure de piston.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises an access orifice to the cooling and lubrication chamber which comprises rod sealing means providing a seal between said orifice and the upper piston rod.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend un orifice d’accès aux moyens de transmission qui comprend des moyens d’étanchéité de tige réalisant une étanchéité entre ledit orifice et la tige inférieure de piston.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises an access orifice to the transmission means which comprises rod sealing means providing a seal between said orifice and the lower piston rod.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend des moyens de centrage de culasse inférieure et/ou des moyens de centrage de culasse supérieure qui sont constitués d’un disque élastique de centrage pouvant être percé en son centre d’un trou de disque au travers duquel passe respectivement la tige inférieure de piston ou une tige supérieure de piston tandis que sa périphérie constitue une collerette de fixation de disque fixée de manière étanche respectivement sur le carter de transmission et/ou sur le portique de centrage.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises means for centering the lower cylinder head and/or means for centering the upper cylinder head which consist of an elastic centering disk which can be pierced in its center. a disc hole through which the lower piston rod or an upper piston rod respectively passes while its periphery constitutes a disc fixing collar fixed in a sealed manner respectively on the transmission casing and/or on the centering gantry.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une platine de centrage et d'étanchéité qui porte les moyens de centrage de culasse inférieure lesquels sont constitués d’un disque élastique de centrage dont la périphérie forme une collerette de fixation de disque fixée de manière étanche sur ladite platine, ledit disque étant percé en son centre d’un trou de disque au travers duquel passe la tige inférieure de piston sans toucher ledit disque, le bord du trou de disque présentant un patin de contact circulaire qui est maintenu en contact étanche avec un cône de centrage et d'étanchéité que présente la culasse chaude inférieure, ledit cône pouvant être mâle ou femelle, et le contact entre ledit patin et ledit cône ayant pour effet de déformer axialement et depuis son centre le disque élastique de centrage.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises a centering and sealing plate which carries the lower cylinder head centering means which consist of an elastic centering disc whose periphery forms a fixing collar disc fixed in a sealed manner on said plate, said disc being pierced in its center with a disc hole through which the lower piston rod passes without touching said disc, the edge of the disc hole having a circular contact pad which is maintained in sealed contact with a centering and sealing cone presented by the lower hot cylinder head, said cone possibly being male or female, and the contact between said shoe and said cone having the effect of deforming the disc axially and from its center centering elastic.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend des moyens de centrage de culasse supérieure qui sont constitués d’un disque élastique de centrage dont la périphérie forme une collerette de fixation de disque fixée de manière étanche sur le portique de centrage, ledit disque étant percé en son centre d’un trou de disque dont le bord présente un patin de contact circulaire qui est maintenu en contact étanche avec un cône de centrage et d'étanchéité que présente la culasse chaude supérieure, ledit cône pouvant être mâle ou femelle, et le contact entre ledit patin et ledit cône ayant pour effet de déformer axialement et depuis son centre le disque élastique de centrage.The reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises upper cylinder head centering means which consist of an elastic centering disc whose periphery forms a disc fixing collar fixed in a sealed manner on the gantry. centering, said disc being pierced in its center with a disc hole whose edge has a circular contact pad which is maintained in sealed contact with a centering and sealing cone which the upper hot cylinder head presents, said cone being able to be male or female, and the contact between said pad and said cone having the effect of deforming axially and from its center the elastic centering disc.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid suivant l’invention comprend une liaison anti rotation qui relie directement ou indirectement la culasse chaude inférieure et/ou la culasse chaude supérieure et/ou le carter-cylindre refroidi au portique de centrage.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder according to the invention comprises an anti-rotation connection which directly or indirectly connects the lower hot cylinder head and/or the upper hot cylinder head and/or the cooled cylinder block to the centering gantry.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés et donnés à titre d’exemples non limitatifs permettra de mieux comprendre l’invention, les caractéristiques qu’elle présente, et les avantages qu’elle est susceptible de procurer :The description which follows with reference to the appended drawings and given as non-limiting examples will allow a better understanding of the invention, the characteristics it presents, and the advantages it is likely to provide:
DESCRIPTION DE L’INVENTION :DESCRIPTION OF THE INVENTION:
On a montré en figures 1 à 10 le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention, divers détails de ses composants, ses variantes, et ses accessoires.We have shown in Figures 1 to 10 the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, various details of its components, its variants, and its accessories.
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 comprend un carter-cylindre refroidi 5 dans lequel est aménagé au moins un cylindre froid 6 dans lequel un piston 2 orienté et/ou localisé par des moyens de guidage de piston 29 peut translater.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 comprises a cooled cylinder block 5 in which is arranged at least one cold cylinder 6 in which a piston 2 oriented and/or located by piston guide means 29 can translate.
Le piston 2 est directement ou indirectement relié par des moyens de transmission de puissance 3 logés dans un carter de transmission 42 à au moins un arbre de sortie de puissance 4 rotatif ou alternatif.The piston 2 is directly or indirectly connected by power transmission means 3 housed in a transmission housing 42 to at least one rotary or reciprocating power output shaft 4.
Les moyens de transmission de puissance 3 peuvent par exemple prendre la forme d’une bielle 34 articulée autour d’une manivelle 48 aménagée sur un vilebrequin 35, ladite bielle 34 pouvant être reliée au piston 2 directement par un axe de piston ou indirectement par l’intermédiaire d’une crosse 49.The power transmission means 3 can for example take the form of a connecting rod 34 articulated around a crank 48 arranged on a crankshaft 35, said connecting rod 34 being able to be connected to the piston 2 directly by a piston pin or indirectly by the intermediate a stock 49.
Lesdits moyens 3 peuvent également être constitués d’une came, d’une pompe hydraulique émettrice, d’un générateur d’électricité linéaire ou rotatif ou de tout autre moyen de transmission connu de l’homme de l’art.Said means 3 can also consist of a cam, a hydraulic transmitting pump, a linear or rotary electricity generator or any other means of transmission known to those skilled in the art.
Comme on le voit en figures 1 à 10, le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention comprend des moyens de lubrification 8 qui forment un film de lubrifiant 7 qui s’interpose entre le cylindre froid 6 et le piston 2, lesdits moyens 8 pouvant être par exemple constitués du barbotage des moyens de transmission de puissance 3 dans du lubrifiant liquide que contient le carter de transmission 42.As seen in Figures 1 to 10, the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention comprises lubricating means 8 which form a film of lubricant 7 which is interposed between the cold cylinder 6 and the piston 2, said means 8 being able for example to consist of bubbling the power transmission means 3 in liquid lubricant contained in the transmission casing 42.
Les figures 1, 3, 4, 9 et 10 montrent clairement que le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention comprend aussi des moyens de refroidissement de carter-cylindre 9 qui sont par exemple constitués d’une chambre de refroidissement 27 qui enveloppe le carter-cylindre refroidi 5 tandis qu’un liquide caloporteur 32 peut circuler dans ladite chambre 27, lesdits moyens 9 refroidissant le carter-cylindre refroidi 5 de sorte à maintenir tout ou partie de la surface interne du cylindre froid 6 à une température suffisamment basse pour que le film de lubrifiant 7 ne vieillisse pas prématurément, ne cokéfie pas, ou ne brûle pas ;Figures 1, 3, 4, 9 and 10 clearly show that the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention also comprises cylinder crankcase cooling means 9 which are for example made up of a cooling chamber. cooling 27 which envelops the cooled cylinder block 5 while a heat transfer liquid 32 can circulate in said chamber 27, said means 9 cooling the cooled cylinder block 5 so as to maintain all or part of the internal surface of the cold cylinder 6 at a temperature low enough so that the lubricant film 7 does not age prematurely, coking, or burning;
En figures 1 à 10, on a montré que le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention comprend aussi au moins une culasse chaude 10 qui peut comporter au moins une soupape d’admission 31 et au moins une soupape d'échappement 33 qui sont pilotées par un actionneur de soupape 50.In Figures 1 to 10, it has been shown that the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention also comprises at least one hot cylinder head 10 which can comprise at least one intake valve 31 and at least one valve d exhaust 33 which are controlled by a valve actuator 50.
La température de fonctionnement de la culasse chaude 10 est significativement supérieure à celle du carter-cylindre refroidi 5 qu’elle coiffe pour former avec le piston 2 une chambre chaude de volume variable 11 qui renferme un gaz de travail 17.The operating temperature of the hot cylinder head 10 is significantly higher than that of the cooled cylinder block 5 which it covers to form with the piston 2 a hot chamber of variable volume 11 which contains a working gas 17.
Comme on le voit aisément en figures 9 et 10, la culasse chaude 10 est d’une part, maintenue plaquée sur le carter-cylindre refroidi 5 par des moyens de plaquage de culasse 24 qui la laissent libre de se dilater par rapport audit carter-cylindre 5, et d’autre part, localisée par rapport audit carter-cylindre 5 par des moyens de centrage de culasse 39 qui pourraient par être exemple constitués d’un pion de centrage ou d’une collerette d’appui.As can be easily seen in Figures 9 and 10, the hot cylinder head 10 is, on the one hand, held pressed against the cooled cylinder block 5 by cylinder head clamping means 24 which leave it free to expand relative to said crankcase. cylinder 5, and on the other hand, located relative to said cylinder block 5 by cylinder head centering means 39 which could for example consist of a centering pin or a support collar.
En outre et comme le montrent la
Comme le montrent la
Comme l’illustrent bien les figures 9 et 10, ladite calotte 19 est d’une part, maintenue plaquée sur le piston 2 par des moyens de plaquage de calotte 23 qui laissent ladite calotte 19 libre de se dilater par rapport audit piston 2, et d’autre part, localisée par rapport audit piston 2 par des moyens de centrage de calotte 40 qui pourraient par exemple être constitués d’un pion de centrage ou d’une collerette d’appui.As clearly illustrated in Figures 9 and 10, said cap 19 is, on the one hand, kept pressed on the piston 2 by cap-plating means 23 which leave said cap 19 free to expand relative to said piston 2, and on the other hand, located relative to said piston 2 by cap centering means 40 which could for example consist of a centering pin or a support collar.
En
De même et comme particulièrement visible en figures 9 et 10, des moyens d’isolation thermique 22 peuvent être interposés entre la calotte chaude 19 et le piston 2, lesdits moyens 22 pouvant faire partie intégrante de la calotte chaude 19 et/ou du piston 2.Likewise and as particularly visible in Figures 9 and 10, thermal insulation means 22 can be interposed between the hot cap 19 and the piston 2, said means 22 being able to form an integral part of the hot cap 19 and/or of the piston 2 .
On remarque d’ailleurs en
Comme le montrent particulièrement les figures 1, 9 et 10, l’anneau isolant 13 qui forme les moyens étanches d’isolation thermique 12 peut être directement ou indirectement en contact avec le carter-cylindre refroidi 5 et/ou avec la culasse chaude 10 par l’intermédiaire d’au moins une arête de contact de faible surface 16 qui empêche le gaz de travail 17 de passer entre le carter-cylindre refroidi 5 et la culasse chaude 10.As particularly shown in Figures 1, 9 and 10, the insulating ring 13 which forms the sealed thermal insulation means 12 can be directly or indirectly in contact with the cooled cylinder block 5 and/or with the hot cylinder head 10 by via at least one contact edge of small surface area 16 which prevents the working gas 17 from passing between the cooled cylinder block 5 and the hot cylinder head 10.
A titre d’autre variante du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention particulièrement visible en figures 1, 9 et 10, l’anneau isolant 13 qui forme les moyens d’isolation thermique 22 peut aussi être directement ou indirectement en contact avec la calotte chaude 19 et/ou avec le piston 2 par l’intermédiaire d’au moins une arête de contact de faible surface 16, ceci pour empêcher le gaz de travail 17 de passer entre la calotte chaude 19 et le piston 2.As another variant of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, particularly visible in Figures 1, 9 and 10, the insulating ring 13 which forms the thermal insulation means 22 can also be directly or indirectly in contact with the hot cap 19 and/or with the piston 2 via at least one contact edge of small surface area 16, this to prevent the working gas 17 from passing between the hot cap 19 and the piston 2.
On remarque aussi en figures 1, 9 et 10 qu’un joint d’étanchéité de culasse 18 peut être interposé entre l’anneau isolant 13 qui forme les moyens étanches d’isolation thermique 12 et le carter-cylindre refroidi 5 et/ou entre ledit anneau 13 et la culasse chaude 10.We also note in Figures 1, 9 and 10 that a cylinder head seal 18 can be interposed between the insulating ring 13 which forms the sealed thermal insulation means 12 and the cooled cylinder block 5 and/or between said ring 13 and the hot yoke 10.
De façon similaire, un joint d’étanchéité de piston 36 peut être interposé entre l’anneau isolant 13 qui forme les moyens d’isolation thermique 22 et la calotte chaude 19 et/ou entre ledit anneau 13 et le piston 2.Similarly, a piston seal 36 can be interposed between the insulating ring 13 which forms the thermal insulation means 22 and the hot cap 19 and/or between said ring 13 and the piston 2.
On note que le joint d’étanchéité de culasse 18 et/ou le joint d’étanchéité de piston 36 peut par exemple comporter plusieurs feuilles métalliques à l’instar des joints de culasse que comportent les moteurs thermiques à combustion interne automobiles modernes, ou être constitué de matériaux résistants aux hautes températures comme le « Therma-pur » développé par la société « Garlock ».Note that the cylinder head seal 18 and/or the piston seal 36 can for example comprise several metal sheets like the cylinder head gaskets included in modern automobile internal combustion thermal engines, or be made of materials resistant to high temperatures such as “Therma-pur” developed by the company “Garlock”.
On notera également que la culasse chaude 10 et/ou la calotte chaude 19 peuvent en tout ou partie être constitués d’un matériau résistant à hautes températures 20, ce dernier pouvant être principalement constitué de carbure de silicium 21.It will also be noted that the hot cylinder head 10 and/or the hot cap 19 may in whole or in part be made up of a material resistant to high temperatures 20, the latter possibly being mainly made up of silicon carbide 21.
Selon une variante du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention particulièrement visible en figures 9 et 10, la culasse chaude 10 peut présenter une surface conique concave de culasse 25 par l’intermédiaire de laquelle ladite culasse 10 est maintenue plaquée par les moyens de plaquage de culasse 24 sur une arête circulaire de contact de cylindre 51 aménagée sur le carter-cylindre refroidi 5.According to a variant of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention particularly visible in Figures 9 and 10, the hot cylinder head 10 can have a concave conical cylinder head surface 25 by means of which said cylinder head 10 is held plated by the cylinder head plating means 24 on a circular cylinder contact edge 51 provided on the cooled cylinder block 5.
En ce cas, l’angle du cône concave que forme ladite surface 25 est tel que lorsque ladite surface 25 glisse sur ladite arête 51 du fait de l’écart entre la dilatation thermique de ladite culasse 10 et celle dudit carter-cylindre 5, la distance axiale qui sépare le point d’appui des moyens de plaquage de culasse 24 sur la culasse chaude 10 du carter-cylindre refroidi 5 reste approximativement constante toute chose égale par ailleurs, cependant que la surface conique concave de culasse 25 et l’arête circulaire de contact de cylindre 51 forment les moyens de centrage de culasse 39.In this case, the angle of the concave cone formed by said surface 25 is such that when said surface 25 slides on said edge 51 due to the difference between the thermal expansion of said cylinder head 10 and that of said cylinder block 5, the axial distance which separates the point of support of the cylinder head plating means 24 on the hot cylinder head 10 from the cooled cylinder block 5 remains approximately constant all other things being equal, while the concave conical surface of cylinder head 25 and the circular edge cylinder contact 51 form the cylinder head centering means 39.
On notera que cette configuration particulière du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention permet que l’effort auquel sont soumis les moyens de plaquage de culasse 24 reste approximativement constant quel que soit l’écart entre la dilatation thermique de la culasse chaude 10 et celle du carter-cylindre refroidi 5, ledit écart résultant à la fois d’une température et d’un coefficient de dilatation thermique possiblement différents entre ceux de la culasse chaude 10 et ceux du carter-cylindre refroidi 5.It will be noted that this particular configuration of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention allows the force to which the cylinder head plating means 24 are subjected to remains approximately constant whatever the difference between the thermal expansion of the hot cylinder head 10 and that of the cooled cylinder head 5, said difference resulting from both a temperature and a coefficient of thermal expansion possibly different between those of the hot cylinder head 10 and those of the cooled cylinder head 5.
En outre, ladite configuration permet de limiter la variation de rapport volumétrique du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention en fonction de sa température, particulièrement lors des phases de démarrage à froid dudit moteur 1.In addition, said configuration makes it possible to limit the variation in volumetric ratio of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention as a function of its temperature, particularly during the cold start phases of said engine 1.
On remarque qu’avantageusement, l’arête circulaire de contact de cylindre 51 peut présenter un contact sphérique à la surface conique concave de culasse 25.Note that advantageously, the circular cylinder contact edge 51 can present a spherical contact with the concave conical surface of the cylinder head 25.
A titre d’autre variante du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention particulièrement visible en figures 9 et 10, la calotte chaude 19 peut également présenter une surface conique concave de calotte 26 par l’intermédiaire de laquelle ladite calotte 19 est maintenue plaquée par les moyens de plaquage de calotte 23 sur une arête circulaire de contact de piston 52 aménagée sur le piston 2.As another variant of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, particularly visible in Figures 9 and 10, the hot cap 19 can also have a concave conical surface of cap 26 through which said cap 19 is kept pressed by the cap plating means 23 on a circular piston contact edge 52 provided on piston 2.
En ce cas, l’angle du cône concave que forme ladite surface 26 est tel que lorsque ladite surface 26 glisse sur ladite arête 52 du fait de l’écart entre la dilatation thermique de ladite calotte 19 et celle du piston 2, la distance axiale qui sépare le point d’appui des moyens de plaquage de calotte 23 sur la calotte chaude 19 du piston 2 reste approximativement constante toute chose égale par ailleurs, cependant que la surface conique concave de calotte 26 et l’arête circulaire de contact de piston 52 forment les moyens de centrage de calotte 40.In this case, the angle of the concave cone formed by said surface 26 is such that when said surface 26 slides on said edge 52 due to the difference between the thermal expansion of said cap 19 and that of piston 2, the axial distance which separates the point of support of the cap pressing means 23 on the hot cap 19 of the piston 2 remains approximately constant all other things being equal, while the concave conical surface of the cap 26 and the circular piston contact edge 52 form the cap centering means 40.
On remarque que cette configuration particulière du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention permet que l’effort auquel sont soumis les moyens de plaquage de calotte 23 reste approximativement constant quel que soit l’écart entre la dilatation thermique de la calotte chaude 19 et celle du piston 2.Note that this particular configuration of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention allows the force to which the cap plating means 23 are subjected to remains approximately constant whatever the difference between the thermal expansion of the hot cap 19 and that of piston 2.
En outre, ladite configuration permet de limiter la variation de rapport volumétrique du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention en fonction de sa température, particulièrement lors des phases de démarrage à froid dudit moteur 1.In addition, said configuration makes it possible to limit the variation in volumetric ratio of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention as a function of its temperature, particularly during the cold start phases of said engine 1.
On remarque qu’avantageusement, l’arête circulaire de contact de piston 52 peut présenter un contact sphérique à la surface conique concave de calotte 26.Note that advantageously, the circular piston contact edge 52 can present a spherical contact with the concave conical surface of the cap 26.
Comme le montre la
La
Ledit isolant thermique 41 peut par exemple être constitué de plusieurs couches de feuilles métalliques de faible épaisseur comportant des picots qui laissent entre chaque dite feuille une lame d’air, ou être tout autre isolant thermique 41 connu de l’homme de l’art.Said thermal insulator 41 can for example consist of several layers of thin metal sheets comprising pins which leave an air gap between each said sheet, or be any other thermal insulator 41 known to those skilled in the art.
On remarque en
Selon une configuration particulière du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention montrée en figures 2 à 10, le carter-cylindre refroidi 5 peut être maintenu enserré entre une culasse chaude 10 inférieure et une culasse chaude 10 supérieure par les moyens de plaquage de culasse 24 cependant que le piston 2 est à double effet et comprend d’une part, une tige inférieure de piston 46 qui le relie aux moyens de transmission de puissance 3 et qui traverse de part en part la culasse chaude 10 inférieure via un orifice de tige inférieure 47, et d’autre part, une calotte chaude 19 inférieure et une calotte chaude 19 supérieure pour définir avec les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure une chambre chaude de volume variable 11 inférieure et une chambre chaude de volume variable 11 supérieure.According to a particular configuration of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention shown in Figures 2 to 10, the cooled cylinder block 5 can be held enclosed between a lower hot cylinder head 10 and an upper hot cylinder head 10 by the cylinder head plating means 24 while the piston 2 is double-acting and comprises on the one hand, a lower piston rod 46 which connects it to the power transmission means 3 and which passes right through the lower hot cylinder head 10 via a lower rod orifice 47, and on the other hand, a lower hot cap 19 and an upper hot cap 19 to define with the lower and upper hot yokes 10 a lower hot chamber of variable volume 11 and a hot chamber of variable volume 11 superior.
Toujours selon cette configuration particulière, le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention comprend au moins un pilier évidé 101 qui peut être soit totalement fermé, soit ajouré, ledit pilier 101 étant traversé de part en part dans le sens de sa longueur par un tunnel de tige 102.Still according to this particular configuration, the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention comprises at least one hollowed pillar 101 which can be either completely closed or perforated, said pillar 101 being crossed right through in the direction of its length by a rod tunnel 102.
En ce cas, une première extrémité de pilier 103 du pilier évidé 101 repose directement ou indirectement sur le carter de transmission 42 tandis qu’une deuxième extrémité de pilier 104 dudit pilier 101 supporte la culasse chaude 10 inférieure, ladite première extrémité 101 pouvant pivoter autour d’une liaison rotule 105 et/ou fléchir par rapport audit carter 42 cependant que ladite deuxième extrémité 104 peut pivoter autour d’une liaison rotule 105 et/ou fléchir par rapport à ladite culasse chaude 10 inférieure.In this case, a first end of pillar 103 of the hollowed pillar 101 rests directly or indirectly on the transmission casing 42 while a second end of pillar 104 of said pillar 101 supports the lower hot cylinder head 10, said first end 101 being able to pivot around of a ball joint 105 and/or flex relative to said casing 42 while said second end 104 can pivot around a ball joint 105 and/or flex relative to said lower hot cylinder head 10.
On remarquera que le pivotement desdites extrémités 103, 104 peut s’opérer soit au moyen d’une liaison mécanique de type pivot ou cardan ou d’une liaison rotule 105, soit par la flexion de tout ou partie du pilier évidé 101, soit par les deux.It will be noted that the pivoting of said ends 103, 104 can be carried out either by means of a mechanical connection of the pivot or cardan type or by a ball joint 105, or by the bending of all or part of the hollowed pillar 101, or by both.
Selon un mode de réalisation particulier du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention, le pilier évidé 101 peut être réalisé en dioxyde de zirconium dit « zircone », cette céramique offrant une bonne résistance mécanique à haute température, une faible conductivité thermique, et un coefficient de dilatation proche de celui de l’acier.According to a particular embodiment of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, the hollowed pillar 101 can be made of zirconium dioxide called "zirconia", this ceramic offering good mechanical resistance at high temperature, a low thermal conductivity, and an expansion coefficient close to that of steel.
Toujours en ce cas, au moins une tige de traction 106 forme les moyens de plaquage de culasse 24 ladite tige 106 étant, au moins pour partie, logée dans le tunnel de tige 102, une première extrémité de tige 107 de ladite tige 106 étant directement ou indirectement arrimée au carter de transmission 42 tandis qu’une deuxième extrémité de tige 108 de ladite tige 106 est directement ou indirectement arrimée à la culasse chaude 10 supérieure, ladite première extrémité 107 pouvant pivoter autour d’une liaison rotule 105 et/ou fléchir par rapport audit carter 42 tandis que ladite deuxième extrémité 108 peut pivoter autour d’une liaison rotule 105 et/ou fléchir par rapport à ladite culasse 10, le pivotement desdites extrémités 107, 108 pouvant donc s’opérer soit au moyen d’une liaison mécanique de type pivot ou cardan ou d’une liaison rotule 105, soit par la flexion de tout ou partie de la tige de traction 106, soit par les deux.Still in this case, at least one traction rod 106 forms the cylinder head plating means 24, said rod 106 being, at least in part, housed in the rod tunnel 102, a first end of rod 107 of said rod 106 being directly or indirectly secured to the transmission casing 42 while a second end of rod 108 of said rod 106 is directly or indirectly secured to the upper hot cylinder head 10, said first end 107 being able to pivot around a ball joint 105 and/or flex relative to said casing 42 while said second end 108 can pivot around a ball joint 105 and/or flex relative to said cylinder head 10, the pivoting of said ends 107, 108 therefore being able to take place either by means of a connection mechanical pivot or cardan type or a ball joint 105, either by the bending of all or part of the traction rod 106, or by both.
Comme le montre la
On note d’ailleurs en
En alternative ledit filetage de tige 146 peut être vissé dans un taraudage directement ou indirectement réalisé dans le carter de transmission 42.Alternatively, said rod thread 146 can be screwed into a tapping directly or indirectly made in the transmission housing 42.
Selon un mode particulier de réalisation du cylindre détendeur à double effet 1 selon l’invention, un ressort de compression 148 peut être intercalé soit entre la tête de tige 145 ou l’écrou de tige 147 et l’oreille de fixation 117, soit entre ladite tête 145 ou toute autre pièce taraudée dans laquelle se visse le filetage de tige 146, et toute autre pièce d’appui.According to a particular embodiment of the double-acting expansion cylinder 1 according to the invention, a compression spring 148 can be inserted either between the rod head 145 or the rod nut 147 and the fixing ear 117, or between said head 145 or any other tapped part into which the rod thread 146 is screwed, and any other supporting part.
Comme l’illustre la
Un tel ressort 148 peut notamment limiter la tension à laquelle est soumise la tige de traction 106 lorsque les divers organes qu’elle maintient serrés entre eux se dilatent sous l’effet de leur montée en température.Such a spring 148 can in particular limit the tension to which the traction rod 106 is subjected when the various members that it holds tight together expand under the effect of their rise in temperature.
Toujours dans le cas montré en figures 2 à 10 où le carter-cylindre refroidi 5 est maintenu enserré entre une culasse chaude 10 inférieure et une culasse chaude 10 supérieure cependant que le piston 2 est à double effet, le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention comprend des moyens de centrage de culasse inférieure 109 qui sont solidaires du carter de transmission 42 et qui prennent directement ou indirectement appui sur la culasse chaude 10 inférieure, lesdits moyens 109 laissant ladite culasse 10 libre de se déplacer sur une courte distance parallèlement à l’axe longitudinal du cylindre froid 6 et par rapport au carter de transmission 42, mais interdisant à ladite culasse 10 de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe par rapport audit carter 42.Still in the case shown in Figures 2 to 10 where the cooled cylinder block 5 is held enclosed between a hot lower cylinder head 10 and a hot upper cylinder head 10 while the piston 2 is double-acting, the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention comprises lower cylinder head centering means 109 which are integral with the transmission casing 42 and which directly or indirectly bear on the lower hot cylinder head 10, said means 109 leaving said cylinder head 10 free to move on a short distance parallel to the longitudinal axis of the cold cylinder 6 and relative to the transmission casing 42, but preventing said cylinder head 10 from moving in the plane perpendicular to said axis relative to said casing 42.
De façon similaire, des moyens de centrage de culasse supérieure 110 solidaires d’un portique de centrage 127 qui est rigidement fixé au carter de transmission 42 prennent directement ou indirectement appui sur la culasse chaude 10 supérieure, lesdits moyens 109 laissant ladite culasse 10 libre de se déplacer sur une courte distance parallèlement à l’axe longitudinal du cylindre froid 6 et par rapport au carter de transmission 42, mais interdisant à ladite culasse 10 de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe par rapport audit carter 42.Similarly, upper cylinder head centering means 110 integral with a centering gantry 127 which is rigidly fixed to the transmission casing 42 bear directly or indirectly on the upper hot cylinder head 10, said means 109 leaving said cylinder head 10 free from move over a short distance parallel to the longitudinal axis of the cold cylinder 6 and relative to the transmission casing 42, but preventing said cylinder head 10 from moving in the plane perpendicular to said axis relative to said casing 42.
En ce cas, comme il est visible en figures 2, 3, 7 et 8, un tube de refroidissement de tige 111 peut envelopper de façon étanche la tige de traction 106 sur tout ou partie de la longueur de ladite tige 106, un liquide caloporteur 32 provenant d’une source de liquide de refroidissement 113 pouvant circuler dans un espace laissé entre la paroi interne dudit tube 111 et la surface externe de ladite tige 106 cependant que la plus grande part possible de la surface externe dudit tube 111 ne touche pas la paroi interne du tunnel de tige 102 de sorte à définir avec cette dernière paroi un espace vide ou rempli d’air atmosphérique, ou rempli d’un gaz de quelque nature que ce soit.In this case, as can be seen in Figures 2, 3, 7 and 8, a rod cooling tube 111 can sealingly envelop the traction rod 106 over all or part of the length of said rod 106, a heat transfer liquid 32 coming from a source of cooling liquid 113 capable of circulating in a space left between the internal wall of said tube 111 and the external surface of said rod 106 while the greatest possible part of the external surface of said tube 111 does not touch the internal wall of the rod tunnel 102 so as to define with this last wall a space empty or filled with atmospheric air, or filled with a gas of any nature whatsoever.
Ainsi, le liquide caloporteur 32 peut refroidir la tige de traction 106 et la maintenir à une température suffisamment basse pour que le matériau constitutif de ladite tige 106 conserve ses caractéristiques mécaniques les plus élevées, cependant que l’espace vide laissé entre la surface externe du tube de refroidissement de tige 111 et la paroi interne du tunnel de tige 102 limite le refroidissement du pilier évidé 101.Thus, the heat transfer liquid 32 can cool the traction rod 106 and maintain it at a sufficiently low temperature so that the material constituting said rod 106 maintains its highest mechanical characteristics, while the empty space left between the external surface of the rod cooling tube 111 and the internal wall of the rod tunnel 102 limits the cooling of the hollowed pillar 101.
On remarque que selon un mode particulier de réalisation du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention, seule une tête de tige 145 que peut présenter la tige de traction 106 pourrait être refroidie, ladite tête 145 étant directement ou indirectement au contact de la culasse chaude 10 supérieure.Note that according to a particular embodiment of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, only a rod head 145 that the traction rod 106 can present could be cooled, said head 145 being directly or indirectly in contact with the upper hot cylinder head 10.
Comme on l’a clairement montré en
On note qu’une pompe à fluide peut être prévue pour forcer le liquide caloporteur 32 à circuler dans le tube de refroidissement de tige 111, ladite pompe pouvant continuer à fonctionner un certain temps après l’arrêt de la machine thermique à laquelle s’applique le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention.Note that a fluid pump can be provided to force the heat transfer liquid 32 to circulate in the rod cooling tube 111, said pump being able to continue to operate for a certain time after stopping the thermal machine to which it applies the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention.
Cette dernière disposition permet par exemple d’évacuer la chaleur que les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure sont susceptibles de continuer à transmettre, durant leur refroidissement, à la tige de traction 106.This last arrangement makes it possible, for example, to evacuate the heat that the hot lower and upper cylinder heads 10 are likely to continue to transmit, during their cooling, to the traction rod 106.
On remarque qu’une fois sorti du tube de refroidissement de tige 111, le liquide caloporteur 32 peut être refroidi par un échangeur de chaleur avant d’être à nouveau réintroduit dans ledit tube 111, ou renouvelé.Note that once it leaves the rod cooling tube 111, the heat transfer liquid 32 can be cooled by a heat exchanger before being reintroduced again into said tube 111, or renewed.
En
Dans ce contexte, la collerette de tube 116 peut être maintenue serrée par la tige de traction 106 contre l’oreille de fixation 117 par l’intermédiaire d’un raccord Banjo 118 qui comporte au moins un conduit radial de raccord 119 qui est relié à la source de liquide de refroidissement 113 d’une part, et qui communique avec l’intérieur du tube de refroidissement de tige 111 d’autre part.In this context, the tube collar 116 can be held tight by the traction rod 106 against the fixing ear 117 via a Banjo connector 118 which comprises at least one radial connection conduit 119 which is connected to the coolant source 113 on the one hand, and which communicates with the interior of the rod cooling tube 111 on the other hand.
On note que le conduit radial de raccord 119 peut être relié à la source de liquide de refroidissement 113 ou à d’autres conduits radiaux de raccord 119 que comporte le raccord Banjo 118 d’autres tubes de refroidissement de tige 111 au moyen d’un conduit souple ou déformable qui peut s’accommoder des variations de distance induites par la dilatation thermique des différents organes qui constituent le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention.Note that the radial connection conduit 119 can be connected to the source of coolant 113 or to other radial connection conduits 119 that the Banjo connection 118 comprises of other rod cooling tubes 111 by means of a flexible or deformable conduit which can accommodate variations in distance induced by the thermal expansion of the different members which constitute the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention.
Toujours dans ce contexte et comme le montre la
On note que la rehausse d’isolation thermique 120 peut avantageusement être réalisée dans un matériau résistant aux températures élevées et offrant une faible conductivité thermique tel que le dioxyde de zirconium.Note that the thermal insulation extension 120 can advantageously be made of a material resistant to high temperatures and offering low thermal conductivity such as zirconium dioxide.
La
A l’inverse, le tube de refroidissement de tige 111 peut comporter au moins une restriction de diamètre de tube 123 constituée d’une portion axiale dudit tube 111 dont le diamètre libre est sensiblement équivalent voire légèrement inférieur à celui du corps de la tige de traction 106 ce qui permet de centrer ledit tube 111 autour de ladite tige 106 voire de réaliser localement une étanchéité entre ledit tube 111 et ladite tige 106.Conversely, the rod cooling tube 111 may include at least one tube diameter restriction 123 consisting of an axial portion of said tube 111 whose free diameter is substantially equivalent or even slightly less than that of the body of the rod. traction 106 which makes it possible to center said tube 111 around said rod 106 or even to locally produce a seal between said tube 111 and said rod 106.
On remarque qu’en alternative ou en complément et comme le montre clairement la
A titre de variante non-représentée, la tige de traction 106 pourrait être creuse pour former un canal interne de refroidissement de tige aménagé dans la longueur de ladite tige 106, ledit canal débouchant axialement ou radialement au voisinage de chaque extrémité ladite tige 106 tandis qu’un liquide caloporteur 32 provenant d’une source de liquide de refroidissement 113 pourrait circuler dans ledit canal et ceci, pour refroidir la tige de traction 106 et la maintenir à une température suffisamment basse pour que le matériau constitutif de ladite tige 106 conserve ses caractéristiques mécaniques les plus élevées.As a variant not shown, the traction rod 106 could be hollow to form an internal rod cooling channel arranged in the length of said rod 106, said channel opening out axially or radially in the vicinity of each end of said rod 106 while a heat transfer liquid 32 coming from a source of cooling liquid 113 could circulate in said channel and this, to cool the traction rod 106 and maintain it at a sufficiently low temperature so that the material constituting said rod 106 maintains its characteristics highest mechanics.
Comme l’illustrent les figures 4, 6 et 7, une chambre de refroidissement et de lubrification de piston 125 reliée à une source de fluide lubrifiant-refroidissant 126 peut être fixée sur le portique de centrage 127 ou aménagée sur ou dans ce dernier tandis qu’une tige supérieure de piston 128 qui prolonge le piston 2 à double effet du coté de la chambre chaude de volume variable 11 supérieure traverse la culasse chaude 10 supérieure via un orifice de tige supérieure 129 aménagé dans ladite culasse 10 et via un orifice d’accès à la chambre de refroidissement et de lubrification 130 traversant le portique de centrage 127 pour déboucher dans la chambre de refroidissement et de lubrification de piston 125 de sorte que l’extrémité de la tige supérieure de piston 128 qui est la plus éloignée dudit piston 2 reste toujours plongée dans ladite chambre 128 quelle que soit la position dudit piston 2.As illustrated in Figures 4, 6 and 7, a piston cooling and lubrication chamber 125 connected to a source of lubricating-cooling fluid 126 can be fixed on the centering gantry 127 or arranged on or in the latter while 'an upper piston rod 128 which extends the double-acting piston 2 on the side of the upper hot chamber of variable volume 11 passes through the upper hot cylinder head 10 via an upper rod orifice 129 arranged in said cylinder head 10 and via an orifice of access to the cooling and lubrication chamber 130 passing through the centering gantry 127 to open into the piston cooling and lubrication chamber 125 so that the end of the upper piston rod 128 which is furthest from said piston 2 always remains immersed in said chamber 128 whatever the position of said piston 2.
En ce cas, un fluide lubrifiant-refroidissant 139 peut avantageusement circuler depuis la chambre de refroidissement et de lubrification de piston 125 jusqu’au carter de transmission 42 en passant successivement via un canal interne de tige supérieure de piston 140 aménagé longitudinalement dans la tige supérieure de piston 128, via une cavité interne de piston 141, et via un canal interne de tige inférieure de piston 142 aménagé longitudinalement dans la tige inférieure de piston 46.In this case, a lubricating-cooling fluid 139 can advantageously circulate from the piston cooling and lubrication chamber 125 to the transmission casing 42 passing successively via an internal upper piston rod channel 140 arranged longitudinally in the upper rod piston 128, via an internal piston cavity 141, and via an internal lower piston rod channel 142 arranged longitudinally in the lower piston rod 46.
Comme on le voit en figures 3, 9 et 10, la périphérie de la cavité interne de piston 141 peut communiquer avec la face périphérique externe de l’anneau d’étanchéité de piston 37 via au moins un orifice périphérique de lubrification d’anneau 143 qui débouche axialement entre au moins deux moyens d’étanchéité de piston 30, ledit orifice 143 constituant les moyens de lubrification 8 et les moyens de refroidissement d’anneau d’étanchéité 38.As seen in Figures 3, 9 and 10, the periphery of the internal piston cavity 141 can communicate with the external peripheral face of the piston sealing ring 37 via at least one peripheral ring lubrication orifice 143 which opens axially between at least two piston sealing means 30, said orifice 143 constituting the lubricating means 8 and the sealing ring cooling means 38.
La
En alternative, ladite platine 131 peut faire partie intégrante dudit carter 42.Alternatively, said plate 131 can form an integral part of said casing 42.
Comme le montre la
La
En figures 5 et 6, on remarque que les moyens de centrage de culasse inférieure 109 et/ou les moyens de centrage de culasse supérieure 110 peuvent être constitués d’un disque élastique de centrage 134 pouvant être percé en son centre d’un trou de disque 135 au travers duquel passe respectivement la tige inférieure de piston 46 ou une tige supérieure de piston 128 tandis que sa périphérie constitue une collerette de fixation de disque 136 fixée de manière étanche respectivement sur le carter de transmission 42 et/ou sur le portique de centrage 127.In Figures 5 and 6, we note that the lower cylinder head centering means 109 and/or the upper cylinder head centering means 110 can consist of an elastic centering disc 134 which can be pierced in its center with a hole of disc 135 through which the lower piston rod 46 or an upper piston rod 128 passes respectively while its periphery constitutes a disc fixing flange 136 fixed in a sealed manner respectively on the transmission casing 42 and/or on the gantry. centering 127.
On remarque en
On note que la collerette de fixation de disque 136 peut être fixée à la platine de centrage et d'étanchéité 131 au moyen d’au moins une vis, un clip, ou tout autre moyen de fixation connu de l’homme de l’art.Note that the disc fixing collar 136 can be fixed to the centering and sealing plate 131 by means of at least one screw, a clip, or any other fixing means known to those skilled in the art. .
On remarque qu’avantageusement, le disque élastique de centrage 134 peut être réalisé dans un matériau résistant aux températures élevées et offrant une faible conductivité thermique tel que le dioxyde de zirconium.Note that advantageously, the elastic centering disk 134 can be made of a material resistant to high temperatures and offering low thermal conductivity such as zirconium dioxide.
Comme l’illustre la
On note que la collerette de fixation de disque 136 peut être fixée au portique de centrage 127 au moyen d’au moins une vis, un clip, ou tout autre moyen de fixation connu de l’homme de l’art.Note that the disc fixing flange 136 can be fixed to the centering gantry 127 by means of at least one screw, a clip, or any other fixing means known to those skilled in the art.
On remarque que si le piston 2 à double effet est prolongé d’une tige supérieure de piston 128, cette dernière traverse le trou de disque 135 sans toucher le disque élastique de centrage 134.Note that if the double-acting piston 2 is extended by an upper piston rod 128, the latter passes through the disc hole 135 without touching the elastic centering disc 134.
On remarque en outre qu’avantageusement, le disque élastique de centrage 134 peut être réalisé dans un matériau résistant aux températures élevées et offrant une faible conductivité thermique tel que le dioxyde de zirconium.We further note that advantageously, the elastic centering disc 134 can be made of a material resistant to high temperatures and offering low thermal conductivity such as zirconium dioxide.
On peut aussi noter qu’en alternative à ce qui vient d’être décrit et qu’il s’agisse des moyens de centrage de culasse inférieure 109 ou des moyens de centrage de culasse supérieure 110, un patin de contact similaire à celui que présente le trou de disque 135 peut être aménagé respectivement soit sur la culasse chaude 10 inférieure, soit sur la culasse chaude 10 supérieure, tandis qu’un cône de centrage et d'étanchéité similaire à celui que présentent lesdites culasses 10 est aménagé sur ou dans le disque élastique de centrage 134.It can also be noted that as an alternative to what has just been described and whether it concerns the lower cylinder head centering means 109 or the upper cylinder head centering means 110, a contact pad similar to that presented the disc hole 135 can be arranged respectively either on the lower hot cylinder head 10, or on the upper hot cylinder head 10, while a centering and sealing cone similar to that present in said cylinder heads 10 is arranged on or in the elastic centering disc 134.
On remarque que la fonction de centrage et d’étanchéité qu’assure le disque élastique de centrage 134 peut être confiée par exemple à un tore fendu ou non et fait d’acier ou d’un superalliage, à une rondelle expansible constituée ou non de multiples plis empilés radialement et faits d’une même pièce de métal ou de céramique, à au moins trois pointeaux poussés par un ressort, répartis tous les cent vingt degrés et coopérant avec un segment d’étanchéité, et de façon générale, à toute solution capable d’assurer un centrage et une étanchéité dans les conditions fonctionnelles recherchées tout en limitant les déperditions de chaleur depuis toute pièce chaude vers toute pièce froide.Note that the centering and sealing function provided by the elastic centering disc 134 can be entrusted for example to a split torus or not and made of steel or a superalloy, to an expandable washer consisting or not of multiple folds stacked radially and made of the same piece of metal or ceramic, with at least three needles pushed by a spring, distributed every one hundred and twenty degrees and cooperating with a sealing segment, and in general, to any solution capable of ensuring centering and sealing in the desired functional conditions while limiting heat loss from any hot room to any cold room.
Comme le montrent les figures 2 et 7, une liaison anti rotation 149 peut relier directement ou indirectement la culasse chaude 10 inférieure et/ou la culasse chaude 10 supérieure et/ou le carter-cylindre refroidi 5 au portique de centrage 127, ladite liaison 149 pouvant être par exemple constituée d’une goupille ou d’une biellette, et interdisant à l’ensemble que forment lesdites culasses 10 et le carter-cylindre refroidi 5 de tourner autour de l’axe longitudinal du cylindre froid 6.As shown in Figures 2 and 7, an anti-rotation connection 149 can directly or indirectly connect the lower hot cylinder head 10 and/or the upper hot cylinder head 10 and/or the cooled cylinder block 5 to the centering gantry 127, said connection 149 which may for example consist of a pin or a link, and preventing the assembly formed by said cylinder heads 10 and the cooled cylinder block 5 from rotating around the longitudinal axis of the cold cylinder 6.
FONCTIONNEMENT DE L’INVENTION :OPERATION OF THE INVENTION:
Le fonctionnement du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention se comprend aisément à la vue des figures 1 à 10.The operation of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention can be easily understood in view of Figures 1 to 10.
Ledit moteur 1 peut comporter un piston 2 à simple effet comme montré en
Selon le mode particulier de réalisation du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention montré en figures 2 à 10, le piston 2 est à double effet tandis que ledit moteur 1 exécute un cycle de Brayton à régénération qui est identique à celui qu’exécute le moteur thermique à transfert-détente et régénération selon le brevet N° WO2016120560.According to the particular embodiment of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention shown in Figures 2 to 10, the piston 2 is double-acting while said engine 1 executes a regenerative Brayton cycle which is identical to that carried out by the heat engine with transfer-expansion and regeneration according to patent No. WO2016120560.
Dans ce contexte particulier, l’invention ne s’applique qu’au détendeur 28 dudit moteur 1, aussi, les autres organes de ce dernier tels qu’un ou des compresseurs, un brûleur ou un échangeur de régénération nécessaires à la mise en œuvre du cycle de Brayton à régénération, ne sont pas représentés.In this particular context, the invention only applies to the regulator 28 of said engine 1, also, the other elements of the latter such as one or more compressors, a burner or a regeneration exchanger necessary for the implementation of the Brayton cycle with regeneration, are not shown.
L’objectif du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention est de limiter au maximum les pertes de chaleur du gaz de travail 17 en portant le plus de surface de paroi interne possible du détendeur 28 à haute température, ceci tout en permettant au piston 2 de réaliser avec le cylindre froid 6 une étanchéité en recourant à des moyens d’étanchéité de piston 30 conventionnels, en l’occurrence des segments de compression 44 et un segment racleur d'huile 45 similaires à ceux qui équipent les moteurs à combustion interne automobiles produits en grande série.The objective of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention is to limit as much as possible the heat losses of the working gas 17 by bringing as much of the internal wall surface as possible of the regulator 28 to high temperature, this while allowing the piston 2 to achieve a seal with the cold cylinder 6 by using conventional piston sealing means 30, in this case compression rings 44 and an oil scraper ring 45 similar to those which equip mass-produced automobile internal combustion engines.
On remarque, particulièrement en figures 1, 3 et 4, que selon l’exemple de réalisation particulier du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention qui y est exposé, les moyens de transmission de puissance 3 qui sont logés dans le carter de transmission 42 sont prévus pour transformer les mouvements de va-et-vient qu’effectue un piston 2 à double effet dans le cylindre froid 6, en mouvement continu de rotation d’un vilebrequin 35.We note, particularly in Figures 1, 3 and 4, that according to the particular embodiment of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention which is exposed there, the power transmission means 3 which are housed in the transmission casing 42 are provided to transform the back and forth movements carried out by a double-acting piston 2 in the cold cylinder 6, into the continuous rotational movement of a crankshaft 35.
Selon cet exemple non-limitatif de réalisation particulier dudit moteur 1 selon l’invention, le carter de transmission 42 et les moyens de transmission de puissance 3 sont maintenus à une température voisine de cent degrés Celsius.According to this non-limiting example of a particular embodiment of said engine 1 according to the invention, the transmission casing 42 and the power transmission means 3 are maintained at a temperature close to one hundred degrees Celsius.
En figures 3 et 4 et à titre d’exemple de réalisation du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention, on remarque ici que les moyens de transmission de puissance 3 sont avantageusement constitués d’une bielle 34 qui est reliée au piston 2 à double effet par une crosse 49 elle-même reliée audit piston 2 par une tige inférieure de piston 46, ladite bielle 34 étant articulée autour d’une manivelle 48 aménagée sur le vilebrequin 35 ce dernier formant un arbre de sortie de puissance 4.In Figures 3 and 4 and as an example of an embodiment of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, we note here that the power transmission means 3 are advantageously made up of a connecting rod 34 which is connected to the double-acting piston 2 by a crosspiece 49 itself connected to said piston 2 by a lower piston rod 46, said connecting rod 34 being articulated around a crank 48 arranged on the crankshaft 35, the latter forming an output shaft of Power 4.
Comme on le voit clairement en figures 3 et 4, le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention présenté ici possède pour un même cylindre froid 6 une culasse chaude 10 inférieure qui forme avec le piston 2 à double effet une chambre chaude de volume variable 11 inférieure, et une culasse chaude 10 supérieure qui forme avec ledit piston 2 une chambre chaude de volume variable 11 supérieure.As can be clearly seen in Figures 3 and 4, the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention presented here has for the same cold cylinder 6 a lower hot cylinder head 10 which forms with the double-acting piston 2 a lower hot chamber of variable volume 11, and an upper hot cylinder head 10 which forms with said piston 2 an upper hot chamber of variable volume 11.
Comme on le comprend en figures 3 et 4, le carter-cylindre refroidi 5 est maintenu axialement enserré entre les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure, tandis que le piston 2 à double effet reçoit une calotte chaude 19 sur chacune de ses faces axiales inférieure et supérieure, lesdites calottes 19 s’interposant entre ledit piston 2 et la chambre chaude de volume variable 11 avec laquelle elles coopèrent.As can be understood in Figures 3 and 4, the cooled cylinder block 5 is held axially enclosed between the lower and upper hot cylinder heads 10, while the double-acting piston 2 receives a hot cap 19 on each of its lower and upper axial faces. upper, said caps 19 interposing between said piston 2 and the hot chamber of variable volume 11 with which they cooperate.
Nous supposerons ici que le gaz de travail 17 est introduit dans le détendeur 28 via une soupape d’admission 31 à une température de mille trois-cents degrés Celsius, tandis que la température d’équilibre opérationnelle des culasses chaudes 10 et des calottes chaudes 19 est de neuf-cent cinquante degrés Celsius.We will assume here that the working gas 17 is introduced into the expander 28 via an inlet valve 31 at a temperature of one thousand three hundred degrees Celsius, while the operational equilibrium temperature of the hot cylinder heads 10 and the hot caps 19 is nine hundred and fifty degrees Celsius.
On note qu’avantageusement, la soupape d’admission 31 et une soupape d'échappement 33 par laquelle le gaz de travail 17 est expulsé du détendeur 28 après y avoir été détendu peuvent chacune être autoclave, et être pilotée par un actionneur de soupape 50 hydraulique à régénération tel que décrit dans le brevet N° 3071896 en date du 11 octobre 2019 appartenant au demandeur.Note that advantageously, the inlet valve 31 and an exhaust valve 33 by which the working gas 17 is expelled from the regulator 28 after having been expanded there can each be autoclaved, and be controlled by a valve actuator 50 regenerative hydraulics as described in patent No. 3071896 dated October 11, 2019 belonging to the applicant.
Contrairement au moteur thermique à transfert-détente et régénération selon le brevet WO2016120560 dont toutes les parois internes de détendeur sont maintenues à une température élevée de par exemple neuf-cent cinquante degrés Celsius, la paroi interne du cylindre froid 6 du détendeur 28 du moteur thermique 1 selon l’invention est maintenue par les moyens de refroidissement de carter-cylindre 9 à une température relativement basse de seulement cent degrés Celsius, cette température n’étant donnée qu’à titre d’exemple.Unlike the heat engine with transfer-expansion and regeneration according to patent WO2016120560 of which all the internal walls of the expander are maintained at a high temperature of for example nine hundred and fifty degrees Celsius, the internal wall of the cold cylinder 6 of the expander 28 of the heat engine 1 according to the invention is maintained by the cylinder crankcase cooling means 9 at a relatively low temperature of only one hundred degrees Celsius, this temperature being given only by way of example.
En figures 1, 3, 4, 9 et 10, on a montré que les moyens de refroidissement de carter-cylindre 9 peuvent être constitués d’une chambre de refroidissement 27 qui enveloppe la surface externe du cylindre froid 6, un liquide caloporteur 32 - en l’occurrence de l’eau - circulant dans ladite chambre 27.In Figures 1, 3, 4, 9 and 10, it has been shown that the cylinder crankcase cooling means 9 can consist of a cooling chamber 27 which envelops the external surface of the cold cylinder 6, a heat transfer liquid 32 - in this case water - circulating in said chamber 27.
Ainsi et comme le montrent clairement les figures 3, 6, 9 et 10, pratiquement toutes les parois internes du détendeur 28 du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention restent chaudes à l’instar de celles du moteur thermique à transfert-détente et régénération selon le brevet WO2016120560, à l’exception du cylindre froid 6.Thus and as clearly shown in Figures 3, 6, 9 and 10, practically all the internal walls of the regulator 28 of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention remain hot like those of the thermal engine. with transfer-expansion and regeneration according to patent WO2016120560, with the exception of the cold cylinder 6.
On remarque d’ailleurs à ce titre que pour éviter toute perte de chaleur, le détendeur 28 montré en figures 2, 3, 4 et 7 comprend un plenum articulé 159 d’admission et un plenum articulé 159 d’échappement en carbure de silicium 21, lesdits plenums 159 étant agencés selon le principe du brevet N° FR 3094416 publié le 5 mars 2021 et appartenant au demandeur.We also note in this respect that to avoid any loss of heat, the regulator 28 shown in Figures 2, 3, 4 and 7 comprises an articulated intake plenum 159 and an articulated exhaust plenum 159 made of silicon carbide 21 , said plenums 159 being arranged according to the principle of patent No. FR 3094416 published on March 5, 2021 and belonging to the applicant.
A ce titre, les figures 2 à 4 montrent clairement que lesdits plenums 159 sont maintenus plaqués, d’une part, sur les culasses chaudes 10 inférieure ou supérieure selon le cas, et d’autre part, sur un collecteur de gaz par des brides élastiques de plenum 158 maintenues enserrées par des vis et des ressorts de bride élastique de plenum 56.As such, Figures 2 to 4 clearly show that said plenums 159 are held pressed, on the one hand, on the lower or upper hot cylinder heads 10 depending on the case, and on the other hand, on a gas collector by flanges plenum elastics 158 held tight by screws and elastic plenum flange springs 56.
Cet agencement particulier permet auxdits plenums 159 qui offrent aux culasses chaudes 10 et aux collecteurs une portée sphérique, de librement s’articuler autour desdites culasses 10 et desdits collecteurs pour laisser se dilater les pièces constitutives du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention.This particular arrangement allows said plenums 159, which provide the hot cylinder heads 10 and the collectors with a spherical bearing, to freely articulate around said cylinder heads 10 and said collectors to allow the constituent parts of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 to expand. according to the invention.
De même, on remarque en figures 2, 3, 4 et 7 que le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention et suivant un exemple de réalisation non-limitatif, les actionneurs de soupape 50 sont maintenus plaqués sur le plenum articulé 159 avec lequel ils coopèrent par une bride élastique d'actionneurs 54 et par des ressorts de bride élastique d'actionneurs 55 s’agissant desdits actionneurs 50 qui pilotent la soupape d’admission 31 et la soupape d'échappement 33 de la chambre chaude de volume variable 11 supérieure, et par un poussoir élastique d'actionneur 160 s’agissant desdits actionneurs 50 qui pilotent la soupape d’admission 31 et la soupape d'échappement 33 de la chambre chaude de volume variable 11 inférieure.Likewise, we note in Figures 2, 3, 4 and 7 that the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention and according to a non-limiting exemplary embodiment, the valve actuators 50 are kept pressed on the articulated plenum 159 with which they cooperate by an elastic flange of actuators 54 and by elastic flange springs of actuators 55 with regard to said actuators 50 which control the inlet valve 31 and the exhaust valve 33 of the chamber hot chamber of variable volume 11 upper, and by an elastic actuator pusher 160 with regard to said actuators 50 which control the inlet valve 31 and the exhaust valve 33 of the hot chamber of variable volume 11 lower.
On remarque d’ailleurs que les poussoirs élastique d'actionneur 160 sont télescopiques et sont mis en pression par un écrou qui presse des rondelles « Belleville ».We also note that the elastic actuator pushers 160 are telescopic and are put under pressure by a nut which presses “Belleville” washers.
Si, comme il a été dit précédemment, pratiquement toutes les parois internes du détendeur 28 restent chaudes à l’exception du cylindre froid 6, les surfaces chaudes restantes sont suffisantes pour obtenir du cycle de Brayton à régénération un rendement thermodynamique significativement plus élevé en pratique que celui des cycles d’Otto et de Diesel.If, as was said previously, practically all the internal walls of the expander 28 remain hot with the exception of the cold cylinder 6, the remaining hot surfaces are sufficient to obtain a significantly higher thermodynamic efficiency from the regenerative Brayton cycle in practice. than that of the Otto and Diesel cycles.
On note en figures 3, 4, 9 et 10 que les moyens de guidage de piston 29 et les moyens d’étanchéité de piston 30 du piston 2 sont également maintenus à une température de l’ordre de cent degrés Celsius, proche de celle du cylindre froid 6, ceci notamment pour préserver l’intégrité du film de lubrifiant 7 qui recouvre la paroi interne dudit cylindre 6.We note in Figures 3, 4, 9 and 10 that the piston guide means 29 and the piston sealing means 30 of the piston 2 are also maintained at a temperature of the order of one hundred degrees Celsius, close to that of the cold cylinder 6, this in particular to preserve the integrity of the lubricant film 7 which covers the internal wall of said cylinder 6.
On comprend donc que, contrairement au moteur thermique à transfert-détente et régénération selon le brevet WO2016120560, les moyens d’étanchéité de piston 30 ne sont plus constitués d’un dispositif d’étanchéité à coussin de fluide selon le brevet FR 3032252, mais bien d’une segmentation comparable à celle des moteurs à combustion interne automobiles conventionnels, lesdits moyens 30 étant refroidis et lubrifiés de la même manière.We therefore understand that, unlike the heat engine with transfer-expansion and regeneration according to patent WO2016120560, the piston sealing means 30 no longer consist of a fluid cushion sealing device according to patent FR 3032252, but well of a segmentation comparable to that of conventional automobile internal combustion engines, said means 30 being cooled and lubricated in the same way.
Cette similitude permet au moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention de bénéficier de savoirs faires plus que centenaires dans le domaine de la segmentation des pistons de moteurs à combustion interne.This similarity allows the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention to benefit from know-how more than a century old in the field of segmentation of internal combustion engine pistons.
La configuration particulière dudit moteur 1 se justifie en ce que, dans les conditions de température qui viennent d’être décrites, la chaleur cédée au cylindre froid 6 par le gaz de travail 17 forme une perte énergétique comparable voire inférieure à celle induite d’une part, par le dispositif d’étanchéité à coussin de fluide objet du brevet FR 3032252 à cause des moyens de compression nécessaires à son alimentation en air comprimé, et d’autre part, par le système de refroidissement régénératif selon le brevet N° EP 3585993 du fait des pertes de charges à l’échappement additionnelles qu’il génère, et de la réintroduction dans le cycle thermodynamique de la chaleur extraite des parois internes du détendeur via un échangeur thermique de régénération dont le rendement est inférieur à un.The particular configuration of said engine 1 is justified in that, under the temperature conditions which have just been described, the heat transferred to the cold cylinder 6 by the working gas 17 forms an energy loss comparable or even lower than that induced by a on the one hand, by the fluid cushion sealing device subject to patent FR 3032252 because of the compression means necessary for its compressed air supply, and on the other hand, by the regenerative cooling system according to patent No. EP 3585993 due to the additional exhaust pressure losses that it generates, and the reintroduction into the thermodynamic cycle of the heat extracted from the internal walls of the expander via a regeneration heat exchanger whose efficiency is less than one.
Pour preuve du bien-fondé du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention, on note que si toutes les parois internes du détendeur 28 montré en figures 3 à 7 et en figures 9 et 10 - y compris les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure et les calottes chaudes 19 - étaient maintenues à seulement cent degrés Celsius à l’instar des parois internes des moteurs à combustion interne automobiles produits en grande série, la puissance calorifique moyenne spécifique à la surface – par exemple exprimée en kilowatts par mètre carré - cédée par le gaz de travail 17 au cylindre froid 6, serait très inférieure à celle cédée par ledit gaz 17 auxdites culasses chaudes 10 et auxdites calottes chaudes 19.As proof of the merits of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, we note that if all the internal walls of the regulator 28 shown in Figures 3 to 7 and in Figures 9 and 10 - including the cylinder heads hot 10 lower and upper and the hot caps 19 - were maintained at only one hundred degrees Celsius like the internal walls of mass-produced automobile internal combustion engines, the average surface-specific heat output – for example expressed in kilowatts per square meter - released by the working gas 17 to the cold cylinder 6, would be much lower than that released by said gas 17 to said hot cylinder heads 10 and to said hot caps 19.
En effet, la surface que le cylindre froid 6 expose au gaz de travail 17 est petite en début de détente dudit gaz 17, puis s’agrandit au fur et mesure que ledit gaz 17 se détend et que parallèlement, sa température baisse, contrairement aux culasses chaudes 10 et aux calottes chaudes 19 dont la surface exposée au gaz de travail 17 reste constante.Indeed, the surface that the cold cylinder 6 exposes to the working gas 17 is small at the start of expansion of said gas 17, then increases as said gas 17 expands and at the same time, its temperature drops, unlike the hot cylinder heads 10 and hot caps 19 whose surface exposed to the working gas 17 remains constant.
Ainsi, en supposant que lesdites culasses 10 et lesdites calottes 19 soient maintenues volontairement à cent degrés Celsius durant la détente, la puissance de refroidissement spécifique à la surface serait beaucoup plus faible au niveau des parois internes du cylindre froid 6 qu’au niveau de celles desdites culasses chaudes 10 et desdites calottes chaudes 19.Thus, assuming that said cylinder heads 10 and said caps 19 are voluntarily maintained at one hundred degrees Celsius during expansion, the specific cooling power at the surface would be much lower at the level of the internal walls of the cold cylinder 6 than at the level of those said hot cylinder heads 10 and said hot caps 19.
En outre, selon la configuration particulière du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 montrée en figures 2 à 10, le piston 2 est à double effet et non à simple effet, ce qui minimise la surface du cylindre froid 6 relativement à la surface cumulée des culasses chaudes 10 et des calottes chaudes 19.Furthermore, according to the particular configuration of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 shown in Figures 2 to 10, the piston 2 is double-acting and not single-acting, which minimizes the surface of the cold cylinder 6 relative to the cumulative surface area of the hot cylinder heads 10 and the hot caps 19.
En effet, le cylindre froid 6 étant commun aux chambres chaudes de volume variable 11 inférieure et supérieure, sa surface vaut ici moins de trente pour cent de la surface interne totale du détendeur 28 qui entre en contact avec le gaz de travail 17.Indeed, the cold cylinder 6 being common to the hot chambers of variable volume 11 lower and upper, its surface is here worth less than thirty percent of the total internal surface of the regulator 28 which comes into contact with the working gas 17.
On observe également que, à puissance maximale identique, le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention étant doté d’un piston 2 à double effet tel que montré en figures 2 à 7 et en figures 9 et 10, et exécutant un cycle de Brayton à régénération, la surface interne que présente son cylindre froid 6 est plus petite que la surface interne du cylindre d’un moteur à cycle d’Otto ou de Diesel conventionnel.We also observe that, at identical maximum power, the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention being equipped with a double-acting piston 2 as shown in Figures 2 to 7 and in Figures 9 and 10, and executing a regenerative Brayton cycle, the internal surface presented by its cold cylinder 6 is smaller than the internal surface of the cylinder of a conventional Otto cycle or Diesel engine.
Ceci, réduit les pertes thermiques relatives imputables audit cylindre froid 6.This reduces the relative thermal losses attributable to said cold cylinder 6.
De plus, la température maximale atteinte par les gaz dans le cylindre d’un moteur à cycle d’Otto ou de Diesel conventionnel est de l’ordre de deux mille cinq cents degrés Celsius contre seulement environ mille trois-cents degrés Celsius s’agissant du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 exécutant un cycle de Brayton à régénération.In addition, the maximum temperature reached by the gases in the cylinder of an Otto cycle or conventional Diesel engine is of the order of two thousand five hundred degrees Celsius compared to only around one thousand three hundred degrees Celsius when it comes to of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 executing a regenerative Brayton cycle.
Toutes choses égales par ailleurs, cette moindre température réduit encore les pertes de chaleur du gaz de travail 17 au contact du cylindre froid 6.All things being equal, this lower temperature further reduces the heat losses of the working gas 17 in contact with the cold cylinder 6.
En outre, on remarquera que contrairement aux culasses chaudes 10 et aux calottes chaudes 19, le cylindre froid 6 du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention est localisé dans une zone de faible turbulence du gaz de travail 17 lors de l’introduction dudit gaz 17 dans l’une ou l’autre chambre chaude de volume variable 11 via la soupape d’admission 31 correspondante, ou lors de l’expulsion dudit gaz 17 hors de ladite chambre 11 via la soupape d'échappement 33.Furthermore, it will be noted that unlike the hot cylinder heads 10 and the hot caps 19, the cold cylinder 6 of the reciprocating thermal engine with a hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention is located in a zone of low turbulence of the working gas 17 during of the introduction of said gas 17 into one or other hot chamber of variable volume 11 via the corresponding inlet valve 31, or during the expulsion of said gas 17 out of said chamber 11 via the exhaust valve 33.
Cette turbulence de faible intensité limite le forçage convectif et la cession de chaleur par le gaz de travail 17 au cylindre froid 6.This low intensity turbulence limits the convective forcing and the transfer of heat by the working gas 17 to the cold cylinder 6.
On remarquera d’ailleurs que, contrairement aux moteurs conventionnels à cycle d’Otto ou de Diesel, la turbulence des gaz introduits dans le détendeur 28 n’a pas besoin d’être forcée par des mouvements connus de l’homme de l’art sous les termes anglo-saxons de « tumble », de «swirl » ou de « squish », pour favoriser quelque combustion que ce soit.It will also be noted that, unlike conventional Otto or Diesel cycle engines, the turbulence of the gases introduced into the regulator 28 does not need to be forced by movements known to those skilled in the art. under the Anglo-Saxon terms of “tumble”, “swirl” or “squish”, to promote any combustion whatsoever.
En effet, dans la mesure où le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention exécute un cycle de Brayton à régénération - ce qui est sa vocation première - la combustion ou le réchauffage du gaz de travail 17 s’effectue au moyen d’une source chaude située en amont du détendeur 28 et non dans ledit détendeur 28, ladite source pouvant être constituée d’un brûleur, d’un échangeur de chaleur ou encore et à titre d’exemple non-limitatif, d’un capteur à concentration de rayonnement solaire.Indeed, to the extent that the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention executes a regenerative Brayton cycle - which is its primary purpose - the combustion or reheating of the working gas 17 takes place by means of a hot source located upstream of the regulator 28 and not in said regulator 28, said source being able to consist of a burner, a heat exchanger or even and by way of non-limiting example, of a solar radiation concentration sensor.
La non nécessité de créer de la turbulence volontaire pour favoriser une combustion réduit donc encore les pertes thermiques du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention exécutant un cycle de Brayton à régénération par rapport à celles d’un moteur conventionnel à cycle d’Otto ou de Diesel, et ceci, du fait d’un moindre forçage convectif entre le gaz de travail 17 et la paroi interne du cylindre froid 6.The non-need to create voluntary turbulence to promote combustion therefore further reduces the thermal losses of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention executing a regenerative Brayton cycle compared to those of a conventional engine. with an Otto or Diesel cycle, and this, due to less convective forcing between the working gas 17 and the internal wall of the cold cylinder 6.
Ceci étant dit, pour bénéficier des avantages du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1, on comprend que ledit moteur 1 nécessite de faire coopérer des pièces chaudes et des pièces froides distantes les unes des autres de seulement quelques millimètres.That being said, to benefit from the advantages of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1, we understand that said engine 1 requires the cooperation of hot parts and cold parts distant from each other by only a few millimeters.
Pour démontrer comment le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention autorise cette coopération de pièces chaudes et de pièces froides très proches les unes des autres, nous supposerons ici que le carter-cylindre refroidi 5 est réalisé en fonte, cependant que les culasse chaudes 10 et les calottes chaudes 19 sont réalisées en carbure silicium 21, le corps du piston 2 étant quant à lui réalisé en acier à hautes caractéristiques mécaniques.To demonstrate how the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention allows this cooperation of hot parts and cold parts very close to each other, we will assume here that the cooled cylinder block 5 is made of cast iron, however, the hot cylinder heads 10 and the hot caps 19 are made of silicon carbide 21, the body of the piston 2 being made of steel with high mechanical characteristics.
Rappelons que le carbure de silicium conserve ses caractéristiques mécaniques jusqu’à des températures de l’ordre de mille quatre-cents degrés Celsius, et peut être utilisé en milieu oxydant jusqu’à ces températures élevées.Remember that silicon carbide retains its mechanical characteristics up to temperatures of around one thousand four hundred degrees Celsius, and can be used in an oxidizing environment up to these high temperatures.
Nous supposerons également ici que le diamètre intérieur du cylindre froid 6 vaut deux cent quarante millimètres.We will also assume here that the internal diameter of the cold cylinder 6 is two hundred and forty millimeters.
La proximité des pièces chaudes et froides fait apparaître un double enjeu lié aux dilatations différentielles, et à la limitation des pertes thermiques.The proximity of hot and cold rooms reveals a double issue linked to differential expansions and the limitation of thermal losses.
Prenons par exemple le cas de la culasse chaude 10 supérieure du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention, selon sa configuration particulière montrée en figures 2 à 10.Let us take for example the case of the upper hot cylinder head 10 of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, according to its particular configuration shown in Figures 2 to 10.
Ladite culasse chaude 10 et le cylindre froid 6 avec laquelle elle coopère sont tous deux fabriqués à une température de l’ordre de vingt degrés Celsius.Said hot cylinder head 10 and the cold cylinder 6 with which it cooperates are both manufactured at a temperature of around twenty degrees Celsius.
Or, en fonctionnement, la température du cylindre froid 6 se stabilise à cent degrés Celsius cependant que celle de la culasse chaude 10 se stabilise à neuf cent cinquante degrés Celsius.However, in operation, the temperature of the cold cylinder 6 stabilizes at one hundred degrees Celsius while that of the hot cylinder head 10 stabilizes at nine hundred and fifty degrees Celsius.
Tenant compte des coefficients de dilatation des matériaux constitutifs de la culasse chaude 10 du cylindre froid 6, ces températures conduisent à des écarts de diamètre à chaud entre celui de la culasse chaude 10 et celui du cylindre froid 6 de près d’un millimètre.Taking into account the expansion coefficients of the materials constituting the hot cylinder head 10 of the cold cylinder 6, these temperatures lead to differences in hot diameter between that of the hot cylinder head 10 and that of the cold cylinder 6 of almost a millimeter.
De même, sous l’effet de la température, la hauteur totale des culasses chaudes 10 inférieure et supérieure croît de l’ordre d’un millimètre également, une telle variation de hauteur ne pouvant que difficilement être absorbée par les moyens de plaquage de culasse 24 qui doivent par ailleurs reprendre les efforts axiaux générés par la pression du gaz de travail 17 dans les chambres chaudes de volume variable 11 inférieure et supérieure.Likewise, under the effect of the temperature, the total height of the lower and upper hot cylinder heads 10 also increases by around a millimeter, such a variation in height being difficult to absorb by the cylinder head plating means. 24 which must also take up the axial forces generated by the pressure of the working gas 17 in the lower and upper hot chambers of variable volume 11.
En outre, la grande proximité entre les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure et le cylindre froid 6 est de nature à favoriser les transferts de chaleur depuis lesdites culasses 10 vers ledit cylindre 6, lesdits transferts étant nuisibles au rendement thermodynamique du cycle de Brayton à régénération.Furthermore, the close proximity between the lower and upper hot cylinder heads 10 and the cold cylinder 6 is likely to promote heat transfers from said cylinder heads 10 to said cylinder 6, said transfers being harmful to the thermodynamic efficiency of the regenerative Brayton cycle. .
Le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention répond à ce double besoin d’une part, d’absorber d’importants écarts de dilatation entre diverses pièces maintenues au contact l’une de l’autre et opérant à des températures très différentes, et d’autre part, de limiter les échanges de chaleur entre lesdites pièces.The reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention meets this double need on the one hand, to absorb significant differences in expansion between various parts kept in contact with each other and operating at very different temperatures, and on the other hand, to limit heat exchanges between said parts.
En effet, comme on le voit en figures 2 à 4 et en figures 7 et 8, ledit moteur 1 comprend des piliers évidés 101 par exemple réalisés en inox, qui sont traversés de part en part dans le sens de leur longueur par un tunnel de tige 102, une première extrémité de pilier 103 dudit pilier 101 reposant sur le carter de transmission 42 par l’intermédiaire d’une liaison rotule 105 tandis qu’une deuxième extrémité de pilier 104 dudit pilier 101 supporte la culasse chaude 10 inférieure, également par l’intermédiaire d’une liaison rotule 105.Indeed, as we see in Figures 2 to 4 and in Figures 7 and 8, said motor 1 comprises hollowed out pillars 101 for example made of stainless steel, which are crossed right through in the direction of their length by a tunnel of rod 102, a first end of pillar 103 of said pillar 101 resting on the transmission casing 42 via a ball joint 105 while a second end of pillar 104 of said pillar 101 supports the lower hot cylinder head 10, also by via a ball joint 105.
Les piliers évidés 101 étant de grande longueur, ils forment une barrière thermique et limitent la cession de chaleur par la culasse chaude 10 inférieure au carter de transmission 42.The hollow pillars 101 being of great length, they form a thermal barrier and limit the transfer of heat by the hot cylinder head 10 lower than the transmission casing 42.
En figures 1, 2, 7 et 8, on remarque les tiges de traction 106 qui forment les moyens de plaquage de culasse 24, lesdites tiges 106 étant chacune en partie logées dans le tunnel de tige 102 du pilier évidé 101 avec lequel elles coopèrent, une première extrémité de tige 107 de chaque dite tige de traction 106 étant arrimée au carter de transmission 42 au moyen d’un filetage de tige 146 et d’un écrou de tige 147, et par l’intermédiaire d’un ressort de compression 148 ici constitué d’un empilement de rondelles « Belleville ».In Figures 1, 2, 7 and 8, we notice the traction rods 106 which form the cylinder head plating means 24, said rods 106 being each partly housed in the rod tunnel 102 of the hollowed pillar 101 with which they cooperate, a first rod end 107 of each said pull rod 106 being secured to the transmission housing 42 by means of a rod thread 146 and a rod nut 147, and via a compression spring 148 here made up of a stack of “Belleville” washers.
On remarque qu’un tube de refroidissement de tige 111 enveloppe de façon étanche chaque tige de traction 106 sur la majeure partie de sa longueur, un liquide caloporteur 32 fourni par une source de liquide de refroidissement 113 à une température voisine de cent degrés Celsius circulant dans un espace laissé entre la paroi interne dudit tube 111 et la surface externe de ladite tige 106, cependant que la majeure partie de la surface externe dudit tube 111 ne touche pas la paroi interne du tunnel de tige 102 de sorte à définir avec cette dernière paroi un espace vide.Note that a rod cooling tube 111 sealingly envelops each traction rod 106 over most of its length, a heat transfer liquid 32 supplied by a source of cooling liquid 113 at a temperature close to one hundred degrees Celsius circulating in a space left between the internal wall of said tube 111 and the external surface of said rod 106, while the majority of the external surface of said tube 111 does not touch the internal wall of the rod tunnel 102 so as to define with the latter wall an empty space.
Comme on le voit en
En
Comme le montre la
On remarque en
On remarque en zone « D » de la
Du côté de la première extrémité de tige 107, on remarque que le tube de refroidissement de tige 111 comporte au contraire une restriction de diamètre de tube 123 constituée d’une portion axiale dudit tube 111 dont le diamètre libre est légèrement inférieur à celui du corps de la tige de traction 106 ce qui permet de centrer ledit tube 111 autour de ladite tige 106 et de réaliser localement une étanchéité entre ledit tube 111 et ladite tige 106.On the side of the first end of rod 107, we note that the rod cooling tube 111 on the contrary comprises a tube diameter restriction 123 consisting of an axial portion of said tube 111 whose free diameter is slightly less than that of the body of the traction rod 106 which makes it possible to center said tube 111 around said rod 106 and to locally produce a seal between said tube 111 and said rod 106.
Avantageusement, ladite restriction de diamètre de tube 123 peut être complétée d’un joint de tube 157 en élastomère ou remplacée par ce dernier afin de garantir une parfaite étanchéité entre la tige de traction 106 et le tube de refroidissement de tige 111.Advantageously, said tube diameter restriction 123 can be supplemented with an elastomer tube seal 157 or replaced by the latter in order to guarantee a perfect seal between the traction rod 106 and the rod cooling tube 111.
Ainsi constituée, la tige de traction 106 peut opérer à une température voisine de cents degrés Celsius quelle que soit la température des culasses chaudes 10 inférieure et supérieure, et être réalisée dans un acier à hautes caractéristiques mécaniques, ceci sans risque de détremper ledit acier.Thus constituted, the traction rod 106 can operate at a temperature close to one hundred degrees Celsius whatever the temperature of the lower and upper hot yokes 10, and be made of a steel with high mechanical characteristics, this without risk of soaking said steel.
En tout état de cause, cette configuration particulière qui permet de refroidir la tige de traction 106 peut s’avérer inutile si cette dernière est réalisée en matériau résistant aux hautes températures tel que le « zircone », le carbure de silicium, l’alumine ou tout superalliage spécifiquement développé pour ce type d’usage.In any case, this particular configuration which makes it possible to cool the traction rod 106 may prove useless if the latter is made of a material resistant to high temperatures such as "zirconia", silicon carbide, alumina or any superalloy specifically developed for this type of use.
Avantageusement, les liaisons rotules 105 qui sont au contact des culasses chaudes 10 inférieure et supérieure peuvent être réalisées dans un matériau à très faible conductivité thermique comme l’oxyde de Zirconium, ceci pour limiter le passage de chaleur depuis les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure vers les piliers évidés 101 et les tiges de traction 106.Advantageously, the ball joints 105 which are in contact with the lower and upper hot yokes 10 can be made of a material with very low thermal conductivity such as Zirconium oxide, this to limit the passage of heat from the lower and upper hot yokes 10 towards the hollowed-out pillars 101 and the traction rods 106.
Comme on le remarque en figures 1, 2, 7 et 8, des rehausses d’isolation thermique 120 peuvent effectivement être intercalées entre les tiges de traction 106 et la culasse chaude 10 supérieure, ceci afin de réduire le flux de chaleur passant depuis ladite culasse 10 vers les tiges de traction 106, ces dernières étant en ce cas logées dans un tunnel de rehausse 121 qui traverse de part en part lesdites rehausses 120 dans le sens de leur longueur.As can be seen in Figures 1, 2, 7 and 8, thermal insulation extensions 120 can actually be inserted between the traction rods 106 and the upper hot cylinder head 10, in order to reduce the heat flow passing from said cylinder head 10 towards the traction rods 106, the latter being in this case housed in an extension tunnel 121 which passes right through said extensions 120 in the direction of their length.
Cette configuration particulière est précisée en
On note en zone « D » de ladite
La
Comme illustré en zone « D » de ladite
La zone « A » de la
La tête de tige 145 maintient la culasse chaude 10 inférieure et la culasse chaude 10 supérieure plaquées sur le carter-cylindre refroidi 5, ce dernier ce retrouvant enserré entre les deux dites culasses 10.The rod head 145 keeps the lower hot cylinder head 10 and the upper hot cylinder head 10 pressed against the cooled cylinder block 5, the latter finding itself sandwiched between the two said cylinder heads 10.
Ceci est notamment rendu possible grâce à des oreilles de fixation 117 que comportent lesdites culasses 10, lesdites oreilles 117 présentant un orifice d’oreille 144 traversé par la tige de traction 106.This is made possible in particular thanks to fixing ears 117 which said cylinder heads 10 include, said ears 117 having an ear orifice 144 crossed by the traction rod 106.
Les zones « B » et « C » de la
Ainsi, les différentes liaisons rotules 105 autour desquelles s’articulent les quatre piliers évidés 101 et la tige de traction 106 avec laquelle ils coopèrent permettent aux culasses chaudes 10 inférieure et supérieure de se dilater librement, notamment par rapport au carter de transmission 42.Thus, the different ball joints 105 around which the four hollow pillars 101 are articulated and the traction rod 106 with which they cooperate allow the lower and upper hot cylinder heads 10 to expand freely, in particular with respect to the transmission casing 42.
Ceci peut survenir cependant que les piliers évidés 101 transmettent des efforts de traction et de compression audit carter 42, lesdits efforts provenant de la pression qu’exerce le gaz de travail 17 alternativement sur la culasse chaude 10 inférieure, et sur la culasse chaude 10 supérieure.This can occur, however, when the hollowed-out pillars 101 transmit traction and compression forces to said casing 42, said forces coming from the pressure exerted by the working gas 17 alternately on the lower hot cylinder head 10, and on the upper hot cylinder head 10 .
Comme on le remarque en figures 9 et 10, la dilatation des culasses chaudes 10 inférieure et supérieure n’influe que peu ou pas sur la longueur totale de l’assemblage que constituent ensemble lesdites culasses 10 et le carter-cylindre refroidi 5.As can be seen in Figures 9 and 10, the expansion of the lower and upper hot cylinder heads 10 has little or no influence on the total length of the assembly which together constitutes said cylinder heads 10 and the cooled cylinder block 5.
Ceci résulte de ce que lesdites culasse 10 présentent chacune une surface conique concave de culasse 25 par l’intermédiaire de laquelle lesdites culasse 10 sont maintenues plaquées par les tiges de traction 106 sur une arête circulaire de contact de cylindre 51 aménagée sur le carter-cylindre refroidi 5.This results from the fact that said cylinder head 10 each has a concave conical cylinder head surface 25 by means of which said cylinder head 10 is held pressed by the traction rods 106 on a circular cylinder contact edge 51 provided on the cylinder block. cooled 5.
L’angle du cône concave que forme ladite surface 25 a été préalablement calculé pour que lorsque ladite surface 25 glisse sur ladite arête 51 du fait de l’écart entre la dilatation thermique de l’une ou l’autre culasse 10 et celle dudit carter-cylindre 5, la distance qui sépare la tête de tige 145 du carter-cylindre refroidi 5 reste approximativement constante toute chose égale par ailleurs.The angle of the concave cone formed by said surface 25 has been previously calculated so that when said surface 25 slides on said edge 51 due to the difference between the thermal expansion of one or the other cylinder head 10 and that of said casing -cylinder 5, the distance which separates the rod head 145 from the cooled cylinder block 5 remains approximately constant, all other things being equal.
Quelle que soit la dilatation différentielle entre celle desdites culasses 10 inférieures et supérieures et celle du carter-cylindre refroidi 5, l’arête circulaire de contact de cylindre 51 et les surfaces coniques concaves de culasse 25 respectives desdites culasses 10 garantissent que ces dernières restent toujours centrées sur le carter-cylindre refroidi 5.Whatever the differential expansion between that of said lower and upper cylinder heads 10 and that of the cooled cylinder block 5, the circular cylinder contact edge 51 and the respective concave conical cylinder head surfaces 25 of said cylinder heads 10 guarantee that the latter always remain centered on the cooled cylinder block 5.
A ce titre, la surface conique concave de culasse 25 et l’arête circulaire de contact de cylindre 51 forment les moyens de centrage de culasse 39 du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention.As such, the concave conical cylinder head surface 25 and the circular cylinder contact edge 51 form the cylinder head centering means 39 of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention.
Comme le montrent clairement les figures 9 et 10, les moyens de centrage de culasse 39 et l’anneau isolant 13 qui forme les moyens étanches d’isolation thermique 12 peuvent ne faire qu’un, l’arête circulaire de contact de cylindre 51 faisant partie intégrante dudit anneau 13, ce dernier constituant une barrière thermique qui limite drastiquement les transferts de chaleur depuis les culasses chaudes 10 vers le carter-cylindre refroidi 5.As clearly shown in Figures 9 and 10, the cylinder head centering means 39 and the insulating ring 13 which forms the sealed thermal insulation means 12 can become one, the circular cylinder contact edge 51 forming integral part of said ring 13, the latter constituting a thermal barrier which drastically limits heat transfers from the hot cylinder heads 10 to the cooled cylinder block 5.
On note que les dispositions avantageuses qui viennent d’être décrites ne peuvent fonctionner correctement qu’avec les moyens de centrage de culasse inférieure 109 solidaires du carter de transmission 42 qui sont particulièrement visibles en
Lesdits moyens 109, 110 assurent le centrage et le parallélisme par rapport au carter de transmission 42 de l’ensemble que forment les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure et le carter-cylindre refroidi 5.Said means 109, 110 ensure centering and parallelism with respect to the transmission casing 42 of the assembly formed by the hot lower and upper cylinder heads 10 and the cooled cylinder casing 5.
Lesdits moyens 109, 110 sont chacun constitués d’un disque élastique de centrage 134 percé en son centre d’un trou de disque 135 au travers duquel passe sans toucher ledit disque 134 la tige inférieure de piston 46 du côté de la culasse chaude 10 inférieure, et une tige supérieure de piston 128 du côté de la culasse chaude 10 supérieure.Said means 109, 110 each consist of an elastic centering disc 134 pierced in its center with a disc hole 135 through which the lower piston rod 46 on the side of the lower hot cylinder head 10 passes without touching said disc 134 , and an upper piston rod 128 on the side of the upper hot cylinder head 10.
Comme on le voit en figures 5 et 6, la périphérie des disques élastiques de centrage 134 forme une collerette de fixation de disque 136 qui est fixée de manière étanche soit sur le carter de transmission 42, soit sur le portique de centrage 127 selon le cas.As seen in Figures 5 and 6, the periphery of the elastic centering discs 134 forms a disc fixing flange 136 which is fixed in a sealed manner either on the transmission casing 42 or on the centering gantry 127 depending on the case. .
Les figures 5 et 6 montrent que le bord du trou de disque 135 présente un patin de contact 137 circulaire mâle qui est maintenu en contact étanche avec un cône de centrage et d'étanchéité 138 femelle que présentent les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure, le contact entre ledit patin 137 et ledit cône 138 ayant pour effet de légèrement déformer axialement le disque élastique de centrage 134 à partir de son centre et dans son domaine d’élasticité, et d’empêcher le gaz de travail 17 contenu dans les chambres chaudes de volume variable 11 inférieure et supérieure de s’échapper desdites chambres 11.Figures 5 and 6 show that the edge of the disc hole 135 has a male circular contact pad 137 which is maintained in sealed contact with a female centering and sealing cone 138 which the lower and upper hot cylinder heads 10 have, the contact between said shoe 137 and said cone 138 having the effect of slightly axially deforming the elastic centering disc 134 from its center and in its area of elasticity, and of preventing the working gas 17 contained in the hot chambers from variable volume 11 lower and upper to escape from said chambers 11.
En figures 5 et 6, on aura remarqué la longueur radiale relativement importante laissée sur le disque élastique de centrage 134 entre sa collerette de fixation de disque 136 et son patin de contact 137.In Figures 5 and 6, we will have noticed the relatively large radial length left on the elastic centering disc 134 between its disc fixing flange 136 and its contact pad 137.
Cette longueur est nécessaire pour que ledit disque 134 puisse se déformer sans dommages axialement depuis son centre, et est également utile pour limiter autant que possible le transfert de chaleur depuis le cône de centrage et d'étanchéité 138 vers ladite collerette 136.This length is necessary so that said disc 134 can deform without damage axially from its center, and is also useful to limit as much as possible the transfer of heat from the centering and sealing cone 138 to said flange 136.
A ce titre, le corps du disque élastique de centrage 134 est préférentiellement de faible épaisseur, et peut être réalisé en oxyde de zirconium réputé pour sa faible conductivité thermique.As such, the body of the elastic centering disc 134 is preferably thin, and can be made of zirconium oxide known for its low thermal conductivity.
On notera également que le contact linéique de faible largeur réalisé entre le cône de centrage et d'étanchéité 138 et le patin de contact 137 constitue également en soi une barrière thermique efficace.It will also be noted that the narrow linear contact made between the centering and sealing cone 138 and the contact pad 137 also constitutes in itself an effective thermal barrier.
Selon cette configuration particulière du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention, l’ensemble que forment les culasses chaudes 10 inférieure et supérieure et le carter-cylindre refroidi 5 peut sensiblement se dilater longitudinalement ou se déplacer par rapport au carter de transmission 42 sur une très courte distance parallèlement à l’axe longitudinal du cylindre froid 6, mais ledit ensemble ne peut en aucun cas se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe par rapport audit carter 42.According to this particular configuration of the reciprocating thermal engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, the assembly formed by the lower and upper hot cylinder heads 10 and the cooled cylinder block 5 can substantially expand longitudinally or move relative to the transmission casing 42 over a very short distance parallel to the longitudinal axis of the cold cylinder 6, but said assembly cannot in any case move in the plane perpendicular to said axis relative to said casing 42.
On remarque aussi en figures 2 et 7 la liaison anti rotation 149 qui relie le carter-cylindre refroidi 5 au portique de centrage 127, ceci pour interdire audit ensemble de tourner autour de l’axe longitudinal du cylindre froid 6.We also note in Figures 2 and 7 the anti-rotation connection 149 which connects the cooled cylinder block 5 to the centering gantry 127, this to prevent said assembly from rotating around the longitudinal axis of the cold cylinder 6.
Comme on le voit en
On remarque que l’orifice d’accès aux moyens de transmission 132 comprend des moyens d’étanchéité de tige 133 qui prennent ici la forme de deux segments à coupe 150 qui sont maintenus plaqués l’un sur l’autre par un ressort de plaquage de segments 156 et dont les coupes sont décalées, lesdits segments 150 réalisant une étanchéité entre ledit orifice 132 et la tige inférieure de piston 46.Note that the access orifice to the transmission means 132 comprises rod sealing means 133 which here take the form of two cut segments 150 which are held pressed against each other by a clamping spring of segments 156 and whose cuts are offset, said segments 150 providing a seal between said orifice 132 and the lower piston rod 46.
Comme on le voit en
Sur la
Comme on le comprend aisément à la vue des figures 5 et 6, la tige inférieure de piston 46 et la tige supérieure de piston 128 sont respectivement lubrifiées, étanchées et refroidies par du lubrifiant qui réside et/ou circule dans le carter de transmission 42 et dans la chambre de refroidissement et de lubrification de piston 125.As is easily understood from Figures 5 and 6, the lower piston rod 46 and the upper piston rod 128 are respectively lubricated, sealed and cooled by lubricant which resides and/or circulates in the transmission housing 42 and in the piston cooling and lubrication chamber 125.
Comme le montrent les figures 9 et 10, les principes qui prévalent au niveau des culasses 10 inférieure et supérieure et au niveau du carter-cylindre refroidi 5 se retrouvent également au niveau du piston 2 à double effet.As shown in Figures 9 and 10, the principles which prevail at the level of the lower and upper cylinder heads 10 and at the level of the cooled cylinder block 5 are also found at the level of the double-acting piston 2.
On remarque sur lesdites figures que l’anneau d’étanchéité de piston 37 qui est aménagé en périphérie du piston 2 comporte des moyens d’étanchéité de piston 30 ici formés de segments de piston 151 similaires à ceux que comportent les moteurs à combustion interne conventionnels à allumage commandé ou par compression.We note in said figures that the piston sealing ring 37 which is arranged on the periphery of the piston 2 comprises piston sealing means 30 here formed of piston segments 151 similar to those included in conventional internal combustion engines with spark ignition or compression.
L’anneau d’étanchéité de piston 37 est maintenu à une température voisine de cent degrés Celsius par un fluide lubrifiant-refroidissant 139 - en l’occurrence de l’huile - qui circule depuis la chambre de refroidissement et de lubrification de piston 125 jusqu’au carter de transmission 42 en passant respectivement via un canal interne de tige supérieure de piston 140 aménagé longitudinalement dans la tige supérieure de piston 128, via une cavité interne de piston 141, et via un canal interne de tige inférieure de piston 142 aménagé longitudinalement dans la tige inférieure de piston 46.The piston seal ring 37 is maintained at a temperature close to one hundred degrees Celsius by a lubricating-cooling fluid 139 - in this case oil - which circulates from the piston cooling and lubrication chamber 125 up to 'to the transmission housing 42 passing respectively via an internal upper piston rod channel 140 arranged longitudinally in the upper piston rod 128, via an internal piston cavity 141, and via an internal lower piston rod channel 142 arranged longitudinally in the lower piston rod 46.
Il est à noter que quand le moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 tel qu’exposé ici à titre d’exemple s’arrête, la source de fluide lubrifiant-refroidissant 126 qui assure la circulation du fluide lubrifiant-refroidissant 139 depuis la chambre de refroidissement et de lubrification de piston 125 jusqu’au carter de transmission 42 via la cavité interne de piston 141, peut continuer à faire circuler ledit fluide 139 pour refroidir les organes constitutifs du piston 2 à double effet et ceci, tant que les culasses chaudes 10 et les calottes chaudes 19 inférieure et supérieure continuent à transmettre de la chaleur auxdits organes et risquent de porter le fluide lubrifiant-refroidissant 139 que contiennent lesdits organes à température de cokéfaction voire de combustion.It should be noted that when the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 as explained here by way of example stops, the source of lubricating-cooling fluid 126 which ensures the circulation of the lubricating-cooling fluid 139 from the piston cooling and lubrication chamber 125 to the transmission casing 42 via the internal piston cavity 141, can continue to circulate said fluid 139 to cool the constituent parts of the double-acting piston 2 and this, as long as the hot cylinder heads 10 and the lower and upper hot caps 19 continue to transmit heat to said organs and risk bringing the lubricating-cooling fluid 139 contained in said organs to coking or even combustion temperature.
On remarque, particulièrement en figures 9 et 10, que la périphérie de la cavité interne de piston 141 communique avec la face périphérique externe de l’anneau d’étanchéité de piston 37 via des orifices périphériques de lubrification d’anneau 143 lesquels débouchent axialement entre deux segments de piston 151, cependant que lesdits orifices 143 constituent à la fois les moyens de lubrification 8 et une partie au moins des moyens de refroidissement d’anneau d’étanchéité 38.We note, particularly in Figures 9 and 10, that the periphery of the internal piston cavity 141 communicates with the external peripheral face of the piston sealing ring 37 via peripheral ring lubrication orifices 143 which open axially between two piston rings 151, while said orifices 143 constitute both the lubricating means 8 and at least part of the sealing ring cooling means 38.
On remarque que l’anneau d’étanchéité de piston 37 présente - entre les deux segments de piston 151 - des moyens de guidage de piston 29 qui guident le piston 2 dans le cylindre froid 6, lesdits moyens 29 étant ici constitués d’une surface de glissement annulaire 43 en forme en tonneau qui favorise la portance hydrodynamique du film de lubrifiant 7 interposé entre ladite surface 43 et ledit cylindre 6.It will be noted that the piston seal ring 37 has - between the two piston rings 151 - piston guide means 29 which guide the piston 2 in the cold cylinder 6, said means 29 here being constituted by a surface of annular sliding 43 in a barrel shape which promotes the hydrodynamic lift of the lubricant film 7 interposed between said surface 43 and said cylinder 6.
On note aussi - comme aisément visible en figures 5, 6, 9 et 10 - qu’un segment racleur d’huile 152 peut avantageusement être intercalé entre la surface de glissement annulaire 43 et le segment de piston 151 qui est placé du côté de la chambre chaude de volume variable 11 inférieure, les orifices périphériques de lubrification d’anneau 143 débouchant entre deux lèvres que présente ledit segment racleur 152.We also note - as easily visible in Figures 5, 6, 9 and 10 - that an oil scraper ring 152 can advantageously be interposed between the annular sliding surface 43 and the piston ring 151 which is placed on the side of the lower hot chamber of variable volume 11, the peripheral ring lubrication orifices 143 opening between two lips presented by said scraper segment 152.
Le segment racleur d’huile 152 a pour double fonction d’étaler le fluide lubrifiant-refroidissant 139 sur la paroi interne du cylindre froid 6, tout en récupérant ledit fluide 139 présent en excès sur ladite paroi.The oil scraper segment 152 has the dual function of spreading the lubricating-cooling fluid 139 on the internal wall of the cold cylinder 6, while recovering said fluid 139 present in excess on said wall.
Comme on le voit en figures 9 et 10 les calottes chaudes 19 inférieure et supérieure présentent une surface conique concave de calotte 26 par l’intermédiaire de laquelle elle sont chacune maintenues plaquées par les moyens de plaquage de calotte 23 sur une arête circulaire de contact de piston 52 aménagée sur le piston 2.As seen in Figures 9 and 10, the lower and upper hot caps 19 have a concave conical surface of cap 26 through which they are each held pressed by the cap plating means 23 on a circular contact edge of piston 52 fitted on piston 2.
On remarque en figures 3, 7, 9, et 10 que les moyens de plaquage de calotte 23 sont ici constitués d’une vis axiale de piston à double effet 153 qui d’une part, fixe le piston 2 à double effet sur la crosse 49, et qui d’autre part, plaque les calottes chaudes 19 inférieure et supérieure sur l’anneau d’étanchéité de piston 37 par l’intermédiaire de tubes de plaquage de calotte 154 et de ressorts de plaquage de calotte 155, lesdits ressorts 155 étant en l’occurrence constitués d’un empilement de rondelles « Belleville ».We note in Figures 3, 7, 9, and 10 that the cap plating means 23 are here made up of a double-acting piston axial screw 153 which, on the one hand, fixes the double-acting piston 2 on the stock 49, and which on the other hand, presses the lower and upper hot caps 19 on the piston sealing ring 37 via cap plating tubes 154 and cap plating springs 155, said springs 155 being in this case made up of a stack of “Belleville” washers.
Les figures 9 et 10 montrent que, qu’il s’agisse de la calotte chaude 19 inférieure ou supérieure, l’angle du cône concave que forme la surface conique concave de calotte 26 a été préalablement calculé pour que lorsque ladite surface 26 glisse sur l’arête circulaire de contact de piston 52 avec laquelle elle coopère, du fait de l’écart entre la dilatation thermique de ladite calotte 19 et celle du piston 2, la distance qui sépare la tête de la vis axiale de piston à double effet 153 du point d’appui des moyens de plaquage de calotte 23 sur la calotte chaude 19 reste approximativement constante toutes choses égales par ailleurs, de sorte que les ressorts de plaquage de calotte 155 ne se retrouvent ni davantage comprimés, ni davantage détendus.Figures 9 and 10 show that, whether it is the lower or upper hot cap 19, the angle of the concave cone formed by the concave conical surface of the cap 26 has been previously calculated so that when said surface 26 slides on the circular piston contact edge 52 with which it cooperates, due to the difference between the thermal expansion of said cap 19 and that of the piston 2, the distance which separates the head from the double-acting piston axial screw 153 of the point of support of the cap plating means 23 on the hot cap 19 remains approximately constant, all things being equal, so that the cap plating springs 155 find themselves neither more compressed nor more relaxed.
Ainsi, toutes choses égales par ailleurs, l’effort de traction auquel est soumise la vis axiale de piston à double effet 153 reste à peu près constant quel que soit l’écart de la dilatation thermique entre celle des calottes chaudes 19 inférieure et supérieure, et celle du piston 2.Thus, all things being equal, the tensile force to which the double-acting piston axial screw 153 is subjected remains approximately constant whatever the difference in thermal expansion between that of the lower and upper hot caps 19, and that of piston 2.
Selon cette configuration particulière du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 suivant l’invention, la surface conique concave de calotte 26 et l’arête circulaire de contact de piston 52 forment les moyens de centrage de calotte 40.According to this particular configuration of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention, the concave conical surface of the cap 26 and the circular piston contact edge 52 form the cap centering means 40.
Les possibilités du moteur thermique alternatif à culasse chaude et cylindre froid 1 selon l’invention ne s’en limitent pas aux applications qui viennent d’être décrites et il doit d’ailleurs être entendu que la description qui précède n’a été donnée qu’à titre d’exemple et qu’elle ne limite nullement le domaine de ladite invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d’exécution décrits par tout autre équivalent.The possibilities of the reciprocating heat engine with hot cylinder head and cold cylinder 1 according to the invention are not limited to the applications which have just been described and it must also be understood that the preceding description has only been given 'by way of example and that it in no way limits the field of said invention from which one would not escape by replacing the details of execution described by any other equivalent.
Claims (36)
- Des moyens de lubrification (8) qui forment un film de lubrifiant (7) qui s’interpose entre le cylindre froid (6) et le piston (2) ;
- Des moyens de refroidissement de carter-cylindre (9) qui refroidissent le carter-cylindre refroidi (5) de sorte à maintenir tout ou partie de la surface interne du cylindre froid (6) à une température suffisamment basse pour que le film de lubrifiant (7) ne vieillisse pas prématurément, ne cokéfie pas, ou ne brûle pas ;
- Au moins une culasse chaude (10) dont la température de fonctionnement est significativement supérieure à celle du carter-cylindre refroidi (5) qu’elle coiffe pour former avec le piston (2) une chambre chaude de volume variable (11) qui renferme un gaz de travail (17), ladite culasse (10) étant d’une part, maintenue plaquée sur le carter-cylindre refroidi (5) par des moyens de plaquage de culasse (24) qui la laissent libre de se dilater par rapport audit carter-cylindre (5), et d’autre part, localisée par rapport audit carter-cylindre (5) par des moyens de centrage de culasse (39) ;
- Au moins un anneau d’étanchéité de piston (37) aménagé en périphérie du piston (2), ledit anneau (37) comportant d’une part, des moyens d’étanchéité de piston (30) qui forment une étanchéité entre le piston (2) et le cylindre froid (6), et étant d’autre part, refroidi par des moyens de refroidissement d’anneau d’étanchéité (38) ;
- Au moins une calotte chaude (19) qui est interposée entre la chambre chaude de volume variable (11) et le piston (2) et dont la température de fonctionnement est significativement supérieure à celle du carter-cylindre refroidi (5), ladite calotte (19) étant d’une part, maintenue plaquée sur le piston (2) par des moyens de plaquage de calotte (23) qui laissent ladite calotte (19) libre de se dilater par rapport audit piston (2), et d’autre part, localisée par rapport audit piston (2) par des moyens de centrage de calotte (40).
- Lubrication means (8) which form a film of lubricant (7) which is interposed between the cold cylinder (6) and the piston (2);
- Cylinder crankcase cooling means (9) which cools the cooled cylinder crankcase (5) so as to maintain all or part of the internal surface of the cold cylinder (6) at a sufficiently low temperature so that the lubricant film ( 7) does not age prematurely, coking, or burning;
- At least one hot cylinder head (10) whose operating temperature is significantly higher than that of the cooled cylinder block (5) which it covers to form with the piston (2) a hot chamber of variable volume (11) which contains a working gas (17), said cylinder head (10) being on the one hand kept pressed against the cooled cylinder block (5) by means of cylinder head clamping (24) which leave it free to expand relative to said crankcase -cylinder (5), and on the other hand, located relative to said cylinder block (5) by cylinder head centering means (39);
- At least one piston sealing ring (37) arranged on the periphery of the piston (2), said ring (37) comprising on the one hand, piston sealing means (30) which form a seal between the piston ( 2) and the cold cylinder (6), and being on the other hand cooled by sealing ring cooling means (38);
- At least one hot cap (19) which is interposed between the hot chamber of variable volume (11) and the piston (2) and whose operating temperature is significantly higher than that of the cooled cylinder block (5), said cap ( 19) being on the one hand, held pressed against the piston (2) by cap-plating means (23) which leave said cap (19) free to expand relative to said piston (2), and on the other hand , located relative to said piston (2) by cap centering means (40).
- Au moins un pilier évidé (101) traversé de part en part dans le sens de sa longueur par un tunnel de tige (102), une première extrémité de pilier (103) dudit pilier (101) reposant directement ou indirectement sur le carter de transmission (42) tandis qu’une deuxième extrémité de pilier (104) dudit pilier (101) supporte la culasse chaude (10) inférieure, ladite première extrémité (101) pouvant pivoter autour d’une liaison rotule (105) et/ou fléchir par rapport audit carter (42) cependant que ladite deuxième extrémité (104) peut pivoter autour d’une liaison rotule (105) et/ou fléchir par rapport à ladite culasse chaude (10) inférieure ;
- Au moins une tige de traction (106) qui forme les moyens de plaquage de culasse (24) et qui est, au moins pour partie, logée dans le tunnel de tige (102), une première extrémité de tige (107) de ladite tige de traction (106) étant directement ou indirectement arrimée au carter de transmission (42) tandis qu’une deuxième extrémité de tige (108) de ladite tige (106) est directement ou indirectement arrimée à la culasse chaude (10) supérieure, ladite première extrémité (107) pouvant pivoter autour d’une liaison rotule (105) et/ou fléchir par rapport audit carter (42) tandis que ladite deuxième extrémité (108) peut pivoter autour d’une liaison rotule (105) et/ou fléchir par rapport à ladite culasse (10) ;
- Des moyens de centrage de culasse inférieure (109) solidaires du carter de transmission (42) et qui prennent directement ou indirectement appui sur la culasse chaude (10) inférieure, lesdits moyens (109) laissant ladite culasse (10) libre de se déplacer sur une courte distance parallèlement à l’axe longitudinal du cylindre froid (6) et par rapport au carter de transmission (42), mais interdisant à ladite culasse (10) de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe par rapport audit carter (42) ;
- Des moyens de centrage de culasse supérieure (110) solidaires d’un portique de centrage (127) lequel est rigidement fixé au carter de transmission (42), lesdits moyens (110) prenant directement ou indirectement appui sur la culasse chaude (10) supérieure, et lesdits moyens (109) laissant ladite culasse (10) libre de se déplacer sur une courte distance parallèlement à l’axe longitudinal du cylindre froid (6) et par rapport au carter de transmission (42), mais interdisant à ladite culasse (10) de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe par rapport audit carter (42).
- At least one hollow pillar (101) traversed right through in the direction of its length by a rod tunnel (102), a first pillar end (103) of said pillar (101) resting directly or indirectly on the transmission casing (42) while a second pillar end (104) of said pillar (101) supports the lower hot yoke (10), said first end (101) being able to pivot around a ball joint (105) and/or flex by relative to said casing (42) while said second end (104) can pivot around a ball joint (105) and/or flex relative to said lower hot cylinder head (10);
- At least one traction rod (106) which forms the cylinder head clamping means (24) and which is, at least in part, housed in the rod tunnel (102), a first rod end (107) of said rod traction (106) being directly or indirectly secured to the transmission case (42) while a second rod end (108) of said rod (106) is directly or indirectly secured to the upper hot cylinder head (10), said first end (107) capable of pivoting around a ball joint (105) and/or flexing relative to said casing (42) while said second end (108) can pivot around a ball joint (105) and/or flexing by relative to said cylinder head (10);
- Lower cylinder head centering means (109) integral with the transmission casing (42) and which directly or indirectly bear on the lower hot cylinder head (10), said means (109) leaving said cylinder head (10) free to move on a short distance parallel to the longitudinal axis of the cold cylinder (6) and relative to the transmission casing (42), but preventing said cylinder head (10) from moving in the plane perpendicular to said axis relative to said casing (42) ;
- Upper cylinder head centering means (110) integral with a centering gantry (127) which is rigidly fixed to the transmission casing (42), said means (110) bearing directly or indirectly on the upper hot cylinder head (10) , and said means (109) leaving said cylinder head (10) free to move over a short distance parallel to the longitudinal axis of the cold cylinder (6) and relative to the transmission casing (42), but preventing said cylinder head ( 10) to move in the plane perpendicular to said axis relative to said casing (42).
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