MOTEUR À COMBUSTION EXTERNE

Description

[0001] Le secteur technique de la présente invention est celui des moteurs à combustion externe également désignés par moteur à air chaud.

[0002] Les moteurs à air chaud du type Stirling ont fait l'objet de nombreux développements. Le cycle théorique d'un moteur Stirling comprend un chauffage isochore suivi d'une détente isotherme, d'un refroidissement isochore et d'une compression isotherme.

[0003] Le brevet FR-2354452 déposé en 1977 illustre le principe de fonctionnement d'un moteur de type Stirling équipé d'un régénérateur. Le moteur comprend notamment un brûleur réalisant une combustion extérieure au cylindre. Un déplaceur, également désigné par balayeur, est aménagé dans la chambre délimitée par le piston et le cylindre pour forcer la circulation du fluide gazeux entre les sources chaude et froide.

[0004] Des moteurs thermiques à combustion externe sont également connus de FR2811017 ou SU892002.

[0005] Un avantage des moteurs de type Stirling est que l'entretien ainsi que la mise en œuvre du moteur sont facilités notamment grâce à une combustion réalisée à l'extérieur du cylindre. Par ailleurs leur aptitude à utiliser de multiples carburants et leur rendement théorique avantageux font des moteurs Stirling des outils de premier ordre étant donné notamment le besoin croissant de produire de l'électricité à moindre coût et en impactant le moins possible l'environnement. Les moteurs de type Stirling ne nécessitant pas de détente dans l'atmosphère, ils sont particulièrement silencieux et produisent peu de vibrations qui sont donc faciles à équilibrer.

[0006] Un problème des moteurs de type Stirling est que leur rendement réel est très éloigné de leur rendement théorique. Des pertes de rendement sont dues notamment aux frottements mécaniques et aux pertes de chaleur.

[0007] La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'art antérieur en fournissant un moteur à combustion externe dont la structure permet un meilleur rendement.

[0008] Cet objectif est atteint grâce à un moteur à combustion externe comprenant au moins :

• un cylindre présentant une extrémité fermée,
• un piston mobile dans le cylindre délimitant une chambre remplie par un fluide gazeux,
• au moins un réchauffeur et au moins un refroidisseur agissant sur la chambre dans le cylindre pour déplacer le piston mobile entre une première position d'expansion maximum de la chambre et une deuxième position de compression maximum de la chambre,
• au moins un mécanisme d'asservissement du mouvement en translation du piston,

caractérisé en ce que le piston est constitué d'au moins une base coulissant dans le cylindre de façon étanche, d'un déplaceur coulissant de façon non étanche dans le cylindre et d'un arbre d'entraînement du déplaceur par la base, l'arbre étant solidarisé d'un côté à la base et d'un autre côté au déplaceur.

[0009] Selon une particularité de l'invention, le cylindre est constitué d'au moins une première portion prolongée par une deuxième portion elle-même prolongée par une troisième portion constituant l'extrémité fermée du cylindre, le réchauffeur agissant sur la deuxième portion du cylindre et ledit refroidisseur agissant sur la première et/ou la troisième portion du cylindre, l'arbre et le déplaceur étant dimensionnés de façon à délimiter autour de l'arbre un espace de travail venant dans la deuxième portion du cylindre lorsque le piston est dans ladite deuxième position et de façon à ce que le déplaceur vienne dans cette même deuxième portion lorsque le piston est dans ladite première position.

[0010] Selon une autre particularité de l'invention, deux refroidisseurs et le réchauffeur agissent sur les trois portions successives du cylindre.

[0011] Selon une autre particularité de l'invention, chaque réchauffeur délimite un espace annulaire de chauffage autour du cylindre et chaque refroidisseur délimite au moins un espace annulaire de refroidissement autour du cylindre.

[0012] Selon une autre particularité de l'invention, le moteur comprend au moins un conduit de circulation du fluide gazeux extérieur au cylindre et reliant la deuxième portion à la troisième portion du cylindre.

[0013] Selon une autre particularité de l'invention, une partie dudit conduit de circulation reliée à la deuxième portion est disposée le long du cylindre de façon à être chauffée par le réchauffeur et une autre partie dudit conduit de circulation reliée à la troisième portion du cylindre est disposée le long du cylindre de façon à être refroidie par le refroidisseur.

[0014] Selon une autre particularité de l'invention, le moteur comprend un système de commande de chaque refroidisseur et/ou de chaque réchauffeur en fonction d'au moins une pression mesurée à l'intérieur de la troisième portion du cylindre et/ou de la deuxième portion du cylindre.

[0015] Selon une autre particularité de l'invention, le mécanisme d'asservissement du mouvement en translation du piston comprend une tige solidaire du piston et solidaire d'une butée saillante coopérant d'une part avec un premier organe de retenue élastique dans ladite première position du piston et d'autre part avec un deuxième organe de retenue élastique dans ladite deuxième position du piston.

[0016] Selon une autre particularité de l'invention, la butée présente des surfaces de contact arrondies, chaque organe de retenue élastique comprenant au moins :

• un axe solidaire du cylindre
• un mors mobile autour dudit axe,
• un organe de rappel élastique maintenant ledit mors en position saillante,

chaque mors présentant un bord biseauté en pente douce d'escamotage et un bord biseauté en pente aiguë exerçant une retenue élastique de la butée jusqu'à une force de libération déterminée.

[0017] Selon une autre particularité de l'invention, le cylindre présente un profil arrondi à son extrémité fermée, le déplaceur présentant un profil correspondant à son extrémité libre.

[0018] Selon une autre particularité de l'invention, le moteur comprend une pluralité de cylindres et une pluralité de pistons, lesdits réchauffeur et refroidisseurs agissant sur ces cylindres qui reçoivent chacun un des pistons, les pistons étant asservis en translation par ledit mécanisme d'asservissement.

[0019] Un autre objet de la présente invention concerne une chaudière à cogénération produisant de l'électricité au moyen d'un moteur selon l'invention pour entraîner au moins un noyau par rapport à au moins une bobine génératrice de courant.

[0020] Un tout premier avantage est que la structure du moteur selon l'invention est simplifiée. Sa mise en œuvre est ainsi facilitée et son mécanisme rustique lui confère une grande fiabilité et une durée de vie importante.

[0021] Un autre avantage du moteur selon la présente invention réside dans le fait que sa structure permet un réglage précis de son cycle thermique afin notamment d'améliorer son rendement. Sa structure permet ainsi de régler la pression maximale du chauffage isochore ou la pression minimale du refroidissement isochore.

[0022] Un autre avantage du moteur selon l'invention est encore qu'il peut être facilement adapté en fonction des besoins pour différentes applications.

[0023] D'autres caractéristiques, avantages et détails de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisation donnés à titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels :

• la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un piston en position d'expansion maximum dans son cylindre ;
• la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale du même piston en position de compression maximum dans son cylindre ;
• la figure 3 représente une vue schématique d'un moteur selon l'invention ;
• la figure 4 représente schématiquement un moteur à deux cylindres selon l'invention ;
• la figure 5 représente schématiquement une chaudière à cogénération utilisant un moteur selon l'invention ;
• les figures 6 et 7 représentent chacune une vue en coupe d'un mécanisme d'asservissement du mouvement en translation d'un piston dans son cylindre ;
• la figure 8 représente une vue en coupe longitudinale d'un moteur selon l'invention dans lequel le piston n'est pas représenté.

[0024] L'invention va à présent être décrite avec davantage de détails. La figure 1 montre une vue en coupe longitudinale d'un piston 2 mobile en translation dans un cylindre 3. Le cylindre forme un logement fermé à son extrémité 3c. Le cylindre comprend par ailleurs une base 10 qui coulisse de façon étanche dans le cylindre 3. Ainsi le cylindre 3 et le piston 2 délimitent une chambre disposée à l'intérieur du cylindre 3. Cette chambre est remplie par un fluide gazeux tel que par exemple de l'azote, de l'hélium ou de l'air. La chambre se divise en trois parties 6a, 6b et 6c communiquant entre elles.

[0025] Le piston 2 comprend un déplaceur 11 qui coulisse de façon non étanche dans le cylindre 3. La chambre comprend une partie médiane 6b, de volume constant, disposée autour du déplaceur 11. Le fluide gazeux peut ainsi s'écouler entre le déplaceur 11 et le cylindre.

[0026] Le piston comprend par ailleurs un arbre 12 reliant sa base 10 à son déplaceur 11. La base 10 entraîne ainsi en translation l'arbre 12 et le déplaceur 11. Comme représenté à la figure 1 l'arbre 12 est solidarisé d'un côté à la base 10 et d'un autre côté au déplaceur 11. Une autre partie 6a de la chambre est délimitée entre les surfaces latérales S30 et S31 de la base 10 et du déplaceur 12, la surface externe S32 de l'arbre 12 et la surface interne du cylindre 3. Cette partie 6a de la chambre forme un espace de travail de volume constant et mobile par rapport au cylindre.

[0027] Le cylindre 3 présente un profil à son extrémité fermée 3c correspondant avec le profil de l'extrémité du déplaceur 11. L'extrémité libre du déplaceur présente notamment un profil hémisphérique correspondant avec le profil hémisphérique du cylindre. Une autre partie 6c de la chambre, de volume variable, est délimitée entre l'extrémité 3c du cylindre et l'extrémité du déplaceur 11. Cette dernière partie 6c de la chambre est quasiment nulle lorsque le piston 2 est complètement enfoncé dans le cylindre 3, comme représenté à la figure 2. Ainsi cette partie 6c de la chambre est minimum, voire quasiment nulle, lorsque le piston est dans une position de compression maximum de la chambre.

[0028] Sur la figure 1, le piston est dans une position d'expansion maximum de la chambre et sa portion 6c délimitée en avant du piston est également maximum.

[0029] Le cylindre comprend trois portions : une portion avant 3c délimitant l'extrémité fermée du cylindre 3, une portion médiane 3b et une portion arrière 3a.

[0030] Un réchauffeur 4 est disposé autour de la portion 3b médiane du cylindre 3. Le réchauffeur 4 délimite un espace annulaire de chauffage 14 autour du cylindre. Un matériau isolant 33 disposé sur les parois latérales 34 et 35 du réchauffeur et sur sa paroi externe 36 permet d'orienter les transferts de chaleur vers l'intérieur du cylindre. Le réchauffeur disposé contre la portion médiane 3b du cylindre 3 permet de réchauffer principalement le fluide gazeux à l'intérieur du cylindre en vis-à-vis de la portion médiane 3b, c'est-à-dire en vis-à-vis du réchauffeur. Un revêtement du piston réalisé dans un matériau thermiquement isolant permet de délimiter des espaces de chauffage ou de refroidissement séparés à l'intérieur du cylindre. Le fluide de chauffage dans le réchauffeur peut être de l'eau, de l'air ou un autre fluide chauffé. Ce fluide de chauffage fournit de l'énergie calorique mais une autre source de chaleur peut également être utilisée pour chauffer cette portion 3b du cylindre.

[0031] Deux refroidisseurs 5a et 5b sont disposés de part et d'autre du réchauffeur 4. Le refroidisseur 5a disposé contre la portion arrière 3a du cylindre délimite un espace annulaire 15a de refroidissement venant contre la paroi extérieure la portion arrière 3a. Le refroidisseur 5b disposé contre la portion avant 3c du cylindre délimite un espace annulaire 15b prolongé par un espace 15c entourant l'extrémité du cylindre. Les fluides de refroidissement dans chaque refroidisseur peuvent être de l'eau ou de l'air ou un autre fluide refroidi. Ce fluide de refroidissement permet de capter principalement l'énergie calorique du fluide gazeux en vis-à-vis des parois de la portion arrière 3a ou respectivement de la portion avant 3c du cylindre. Un fluide de refroidissement est utilisé mais on peut aussi prévoir de refroidir directement les portions arrière 3a et avant 3c du cylindre, par exemple à l'aide d'ailettes de refroidissement directement fixées sur le cylindre.

[0032] Le revêtement du piston réalisé dans un matériau thermiquement isolant est avantageusement utilisé pour délimiter les espaces de chauffage ou de refroidissement séparés à l'intérieur du cylindre.

[0033] Comme représenté sur la figure 1, le piston 2 dans sa position d'expansion maximum se positionne avec l'espace 6a de travail disposé autour de l'arbre 12 dans une position de refroidissement en vis-à-vis de la portion arrière 3a du cylindre refroidie par le refroidisseur 5a. Le refroidissement de cet espace de travail 6a est ainsi maximum.

[0034] Par ailleurs dans cette position d'expansion maximum, la partie 6c de la chambre délimitée entre le déplaceur 11 et l'extrémité 3c du cylindre est maximum. Le refroidissement du fluide gazeux par le refroidisseur 5b disposé à l'extrémité du cylindre est ainsi maximum.

[0035] Enfin dans cette même position d'expansion maximum, le déplaceur 11 est disposé avec sa portion cylindrique en vis-à-vis du réchauffeur 4. Seul le fluide gazeux disposé entre le déplaceur 11 et la portion 3b du cylindre est alors chauffé. Le réchauffement du fluide gazeux par le réchauffeur 4 est ainsi minimum.

[0036] Sur la figure 2 où le piston 2 est dans une position de compression maximum de la chambre, le déplaceur 11 occupe sensiblement tout l'espace dans la portion avant 3c du cylindre. Seul le fluide gazeux présent entre le déplaceur et la paroi de l'extrémité 3c fermée du cylindre est refroidi par le refroidisseur 5b. Le refroidissement du fluide gazeux par le refroidisseur 5b est alors minimum.

[0037] Par ailleurs dans cette position de compression maximum de la chambre, l'espace de travail 6a disposé autour de l'arbre 12 vient en vis-à-vis de la portion médiane 3b du cylindre réchauffée par le réchauffeur 4. Ainsi le réchauffement de l'espace de travail 6a est maximum.

[0038] Enfin dans cette position de compression maximum de la chambre, la base 10 du piston est enfoncée dans le cylindre et vient en vis-à-vis de la portion arrière 3a jusqu'à la limite avec la portion médiane 3b du cylindre. Ainsi l'action du refroidisseur 5a agissant sur la portion arrière 3a est minimisée.

[0039] En conséquence, dans la première position du piston correspondant à l'expansion maximum de la chambre, le réchauffement du fluide gazeux est minimum tandis que son refroidissement est maximum. Par ailleurs, dans la deuxième position du piston correspondant à la compression maximum de la chambre, le refroidissement du fluide gazeux est minimum tandis que son réchauffement est maximum.

[0040] La longueur de l'arbre 12 correspond à la longueur de la portion médiane 3b du cylindre. Le diamètre de l'arbre 12 est choisi en fonction du diamètre intérieur du cylindre pour réaliser un espace de travail de volume déterminé.

[0041] Le déplaceur est de longueur correspondant à la portion avant 3c du cylindre. Le profil du déplaceur correspondant à celui de la portion 3c d'extrémité du cylindre est prolongé par une portion cylindrique reliée à l'arbre et de diamètre supérieur à ce dernier. Le diamètre de cette portion cylindrique du déplaceur est choisi pour permettre une transmission de pression entre les deux parties de la chambre de part et d'autre du déplaceur. Le diamètre peut aussi être choisi pour permettre un écoulement déterminé du fluide gazeux notamment lorsque le moteur ne comprend pas de régénérateur. La longueur de la portion cylindrique du déplaceur 11 correspond sensiblement à la longueur de la portion médiane 3b du cylindre. Ainsi lorsque le cylindre est déplacé en position d'expansion maximum de la chambre, la portion cylindrique du déplaceur occupe l'espace en vis-à-vis du réchauffeur 4 sur toute sa longueur.

[0042] La portion arrière 3a du cylindre 3 refroidie par le refroidisseur 5a est choisie de longueur supérieure ou égale à celle de l'espace de travail 6a. Ainsi l'ensemble de l'espace de travail 6a est disposé en vis-à-vis de ce refroidisseur 5a lorsque le piston se trouve dans la position d'expansion maximum de la chambre.

[0043] Le revêtement du piston délimite par exemple la surface cylindrique extérieure S32 de l'arbre 12, une face annulaire S30 de la base 10 et toute la surface extérieure du déplaceur 11 de façon à limiter les échanges thermiques.

[0044] Le piston peut être réalisé creux. Un logement interne peut alors être utilisé pour y disposer des lignes de communication avec des capteurs. Comme représenté aux figures 1 et 2, des capteurs 37, 38 et 39 peuvent être disposés dans le piston 2 et dans le cylindre 3. Ces capteurs peuvent être du type capteur de température ou capteur de pression. Un capteur 37 affleure à la surface de l'arbre 12 et débouche d'autre part à l'intérieur du piston creux. Un autre capteur 38 affleure à l'extrémité du piston et débouche à l'intérieur du piston. Un autre capteur 39 affleure à l'intérieur de l'extrémité fermée 3c du cylindre et débouche par ailleurs à l'extérieur du cylindre.

[0045] La figure 3 montre schématiquement un moteur la comprenant un piston semblable à celui des figures 1 et 2 dont le mouvement en translation dépend de la position d'un volant 40. L'inertie du volant 40 permet d'atténuer les variations de son mouvement de rotation. Le volant 40 est mobile par rapport au cylindre 3, autour d'un axe 41.

[0046] Une bielle 42 est articulée d'une part avec le volant 40 et d'autre part avec la base 10 du piston. Le volant 40 peut être circulaire ou ovale ou présenter un profil particulier pour asservir le mouvement en translation du piston dans le cylindre.

[0047] Ainsi dans la position de compression maximum, le chauffage provoque une élévation de la pression tendant à augmenter le volume de la chambre et tendant donc à repousser le piston vers l'extérieur du cylindre. A l'inverse dans la position d'expansion maximum, le refroidissement provoque une diminution de la pression tendant à réduire le volume de la chambre et tendant donc à tirer le piston à l'intérieur du cylindre. Le réchauffeur 4 et les refroidisseurs 5a et 5b agissent ainsi sur la chambre dans le cylindre 3 pour déplacer le piston 2 entre sa première position correspondant à une expansion maximum de la chambre et sa deuxième position correspondant à une compression maximum de la chambre.

[0048] Un piston présente par exemple une base de diamètre compris entre 100mm et 150mm. La course du piston est par exemple comprise entre 80mm et 130mm, la longueur de la portion médiane 3b du cylindre étant choisie de même longueur que la course du piston. Le diamètre de l'arbre 12 est par exemple compris entre 10mm et 40mm.

[0049] Le réchauffeur génère par exemple une température comprise entre 350°C et 650°C. De préférence la source chaude est choisie inférieure à 700°C pour des raisons de coûts des matériaux de fabrication. Pour des températures supérieures à 700°C, des matériaux relativement coûteux sont en effet nécessaires.

[0050] Les refroidisseurs présentent par exemple une température fonctionnelle maximum comprise entre 40°C et 50°C. Les refroidisseurs ont par exemple une température correspondant à la température de l'air ambiant et peuvent rester fonctionnels à différentes températures.

[0051] On peut également régler le refroidissement et le réchauffement grâce à un système de commande 43. Les modules de commande 44 et 46 des refroidisseurs 5a et 5b règlent par exemple la vitesse de rotation de ventilateurs favorisant la circulation de l'air ambiant autour des refroidisseurs. Les refroidisseurs comprennent par exemple des ailettes de refroidissement leur permettant de dissiper la chaleur captée du cylindre.

[0052] Le module de commande 45 du réchauffeur 4 règle par exemple un injecteur de carburant. La quantité plus ou moins importante de carburant brûlé permet de générer plus ou moins de chaleur pour le fluide de chauffage.

[0053] Le système de commande 43 envoie par exemple des signaux de commande S46, S47 et S48 aux modules de commande 44, 45 et 46 du réchauffeur 4 et des refroidisseurs 5a et 5b en fonction de signaux S49, S50 et S51 transmis par les capteurs installés dans le moteur. Le système de commande 43 peut ainsi adapter le refroidissement ou le réchauffement en fonction notamment de la température ambiante pour un refroidisseur utilisant l'air ambiant. La température de la source chaude est par exemple augmentée en cas d'augmentation de la température minimum du fluide gazeux au cours de son refroidissement.

[0054] Pour favoriser le retour du piston dans sa deuxième position de compression maximum de la chambre, on peut aménager un ressort exerçant une poussée sur le piston vers l'intérieur du cylindre.

[0055] Pour favoriser le retour du piston dans sa deuxième position on peut également régler une dépression dans la chambre dans la deuxième position à température ambiante, lorsque la température du refroidisseur correspond à la température ambiante. La dépression dans la chambre correspond à une pression inférieure à celle de l'air ambiant.

[0056] Pour favoriser le retour du piston dans sa deuxième position on peut aussi prévoir de faire fonctionner le piston selon un axe de translation vertical, l'extrémité fermée du cylindre étant dirigée vers le bas. Le poids du cylindre l'entraîne alors vers le bas et vers l'intérieur du cylindre.

[0057] On peut aussi combiner ces différents systèmes favorisant le retour du piston dans sa deuxième position.

[0058] La figure 4 montre un moteur 1b comprenant un volant d'inertie 40 relié par des bielles 42 à deux pistons 2. Ces pistons mobiles chacun dans un cylindre 3 et actionnés par des refroidisseurs 5a et 5b et un réchauffeur 4. Des ressorts 71 favorisent le retour des pistons 2 vers leur position de compression maximum de la chambre.

[0059] La figure 5 montre schématiquement une chaudière 52 à cogénération utilisant un moteur 1 selon l'invention. Un circuit d'eau 53 communique avec un serpentin 54 de chauffage de l'eau. L'eau chauffée passe ensuite dans le réchauffeur 4 du moteur, puis retourne au circuit d'eau 53.

[0060] Le réchauffeur peut également être alimenté par des gaz chauds produits par le brûleur d'une chaudière, ces gaz chauds étant ensuite utilisés pour chauffer le serpentin d'un circuit d'eau.

[0061] Le cylindre 2 est mobile en translation dans le cylindre 3, son mouvement en translation étant asservi par une butée 22 coopérant avec un organe de retenue élastique 23 en position d'expansion maximum et un organe de retenue élastique 24 en position de compression maximum. Ainsi une tige 54 solidaire du piston est mobile en translation dans une bobine 55. Cette tige 54 est par ailleurs solidaire d'un noyau aimanté 56. Ainsi la bobine 55 génère un courant alimentant un organe 57 de stockage de et d'alimentation en l'électricité. Cet organe 57 d'alimentation en électricité permet par exemple d'alimenter un circuit électronique de commande de la chaudière. L'électricité produite peut également servir à un usage domestique ou être revendue.

[0062] Les figures 6 et 7 montrent un mécanisme d'asservissement des mouvements en translation du piston comprenant une butée coopérant avec des organes de retenue élastique.

[0063] Le mécanisme d'asservissement 20 du mouvement en translation du piston 2 comprend une tige 21 solidaire du piston 2 et solidaire d'une butée 22 saillante par rapport à la tige. La butée 22 se présente sous la forme d'une sphère comprenant un perçage fileté en son milieu. Un écrou 66 vissé sur l'extrémité filetée de la tige 21 permet de fixer la butée 22 à la tige 21.

[0064] Le mécanisme d'asservissement 20 comprend par ailleurs un carter conique 67 de solidaire du cylindre 3. Le carter conique 67 comprend un bord de grand diamètre fixé au cylindre 3 et un bord de petit diamètre avancé à l'intérieur du cylindre 3. Le bord de petit diamètre est fixé à un manchon 68. Ce manchon 68 est solidaire du cylindre 3 et comprend un canal intérieur dans lequel la butée 22 peut se déplacer selon un mouvement de translation.

[0065] Des mors 25a et 25b sont montés dans des logements 70a et 70b du manchon 68. Ces mors sont mobiles autour de leur axe 26a et 26b fixé au manchon 68. Chaque mors 25a et 25b présente un bord 28a ou 28b biseauté en pente douce d'escamotage et un bord 29a ou 29b biseauté en pente aiguë de façon à exercer une retenue élastique de la butée 22. Ces bords biseautés sont saillants à l'intérieur du canal du manchon 68.

[0066] La retenue élastique est exercée jusqu'à une force de libération déterminée. Pour le réglage de la retenue élastique, chaque mors comprend une encoche, référencée 64 ou 65, saillante à l'extérieur du manchon sur laquelle un ressort, référencé 60 ou 63, exerce une force de rappel. La force exercée par chaque ressort 60 ou 63 tend à entraîner chaque mors en saillie vers l'intérieur du manchon 68. Un mors ou une pluralité de mors peuvent être utilisés pour réaliser chaque blocage. Trois mors 25a sont par exemple utilisés pour le blocage du piston dans sa première position et trois mors 25b sont par exemple utilisés pour le blocage du piston dans sa deuxième position.

[0067] Chaque ressort 60 ou 63 s'appuie d'un côté sur le ou les mors 25a ou 52b et de l'autre sur une bague 61 ou 62 vissée sur le manchon 68.

[0068] Le vissage de ces bagues 61 et 62 permet notamment d'ajuster la force de rappel exercée par chaque ressort 60 et 63. La force au-delà de laquelle la butée est libérée peut ainsi être réglée pour le premier organe de retenue élastique dans la première position du piston 2 et pour le deuxième organe de retenue élastique dans la deuxième position du piston.

[0069] La figure 8 représente un moteur 1c selon l'invention. Pour des raisons de clarté, le piston dans le cylindre n'a pas été représenté. Ce moteur fonctionne avec un piston tel que décrit précédemment.

[0070] Comme décrit précédemment le cylindre comprend une portion arrière 3a, une portion médiane 3b et une portion avant 3c. Les portions arrière et avant 3a et 3c sont refroidies par des refroidisseurs 5a et 5b. La portion médiane 3b est réchauffée par un réchauffeur 4.

[0071] Des conduits 17, 18 et 19 de circulation du fluide gazeux sont aménagés à l'extérieur au cylindre 3 et relient la portion médiane 3b à la portion avant 3c du cylindre 3. Ces conduits de circulation facilitent la circulation du fluide gazeux lors du déplacement du piston. Ainsi le diamètre du déplaceur peut être notamment augmenté. Une partie 17a, 18a et 19a de chaque conduit de circulation reliée à la portion médiane 3b est disposée le long du cylindre et à l'intérieur de l'espace 14 comprenant le fluide de chauffage. Ces parties 17a, 18a et 19a sont ainsi chauffées par le réchauffeur 4. Ainsi lors du passage de la position d'expansion maximum de la chambre à la position de compression maximum, une partie du fluide introduit dans l'espace de travail, en vis-à-vis de l'arbre du piston, est déjà chauffé, ce qui facilite la montée en température.

[0072] Une autre partie 17b, 18b ou 19b de chaque conduit de circulation reliée à la portion avant 3c du cylindre 3 est disposée le long du cylindre et à l'intérieur de l'espace, référencé 15b et 15c, comprenant le fluide de refroidissement. Ces parties 17b, 18b et 19b sont ainsi refroidies par le refroidisseur 5b. Ainsi lors du passage de la position de compression maximum de la chambre à la position d'expansion maximum, une partie du fluide introduit dans la portion d'extrémité 3c du cylindre est déjà refroidie, ce qui facilite l'abaissement de la température.

[0073] Il doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention permet d'autres variantes de réalisation. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés comme illustrant l'invention.

Revendications

1. Moteur (1) à combustion externe comprenant au moins :

- un cylindre (3) présentant une extrémité (3c) fermée

- un piston (2) mobile dans le cylindre délimitant une chambre (6a, 6b, 6c) remplie par un fluide gazeux,

- au moins un réchauffeur (4) et au moins un refroidisseur (5a ou 5b) agissant sur la chambre dans le cylindre (3) pour déplacer le piston (2) mobile entre une première position d'expansion maximum de la chambre et une deuxième position de compression maximum de la chambre,

- au moins un mécanisme (20) d'asservissement du mouvement en translation du piston (2),

caractérisé en ce que le piston (2) est constitué d'au moins une base (10) coulissant dans le cylindre (3) de façon étanche, d'un déplaceur (11) coulissant de façon non étanche dans le cylindre (3) et d'un arbre (12) d'entraînement du déplaceur (11) par la base (10), l'arbre (12) étant solidarisé d'un côté à la base (10) et d'un autre côté au déplaceur (11).

2. Moteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre (3) est constitué d'au moins une première portion (3a) prolongée par une deuxième portion (3b) elle-même prolongée par une troisième portion (3c) constituant l'extrémité fermée du cylindre, le réchauffeur (4) agissant sur la deuxième portion (3b) du cylindre (3) et ledit refroidisseur (5a ou 5b) agissant sur la première et/ou la troisième portion (3a et/ou 3c) du cylindre (3), l'arbre (12) et le déplaceur (11) étant dimensionnés de façon à délimiter autour de l'arbre (12) un espace (6a) de travail venant dans la deuxième portion (3b) du cylindre (3) lorsque le piston (2) est dans ladite deuxième position et de façon à ce que le déplaceur (11) vienne dans cette même deuxième portion (3b) lorsque le piston (2) est dans ladite première position.

3. Moteur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux refroidisseurs (5a, 5b) et le réchauffeur (4) agissent sur les trois portions (3a, 3b, 3c) successives du cylindre (3).

4. Moteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque réchauffeur (4) délimite un espace annulaire de chauffage (14) autour du cylindre (3) et chaque refroidisseur (5a ou 5b) délimite au moins un espace annulaire (15a ou 15b) de refroidissement autour du cylindre (3) .

5. Moteur (1) selon l'une revendication 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un conduit (17, 18, 19) de circulation du fluide gazeux extérieur au cylindre (3) et reliant la deuxième portion (3b) à la troisième portion (3c) du cylindre (3).

6. Moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une partie (17a, 18a, 19a) dudit conduit (17, 18, 19) de circulation reliée à la deuxième portion (3b) est disposée le long du cylindre (3) de façon à être chauffée par le réchauffeur (4) et une autre partie (17b, 18b, 19b) dudit conduit (17, 18, 19) de circulation reliée à la troisième portion (3c) du cylindre (3) est disposée le long du cylindre (3) de façon à être refroidie par le refroidisseur (5b).

7. Moteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un système de commande de chaque refroidisseur (5a ou 5b) et/ou de chaque réchauffeur (4) en fonction d'au moins une pression mesurée à l'intérieur de la troisième portion (3c) du cylindre (3) et/ou de la deuxième portion (2c) du cylindre.

8. Moteur (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mécanisme d'asservissement (20) du mouvement en translation du piston (2) comprend une tige (21) solidaire du piston (2) et solidaire d'une butée (22) saillante coopérant d'une part avec un premier organe (23) de retenue élastique dans ladite première position du piston (2) et d'autre part avec un deuxième organe (24) de retenue élastique dans ladite deuxième position du piston (2).

9. Moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la butée (22) présente des surfaces de contact arrondies, chaque organe (23, 24) de retenue élastique comprenant au moins :

- un axe (26a, 26b) solidaire du cylindre (2)

- un mors (25a, 25b) mobile autour dudit axe (26a, 26b),

- un organe (27a, 27b) de rappel élastique maintenant ledit mors (25a, 25b) en position saillante,

chaque mors (25a, 25b) présentant un bord (28a, 28b) biseauté en pente douce d'escamotage et un bord (29a, 29b) biseauté en pente aiguë exerçant une retenue élastique de la butée (22) jusqu'à une force de libération déterminée.

10. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cylindre (3) présente un profil arrondi à son extrémité fermée (3c), le déplaceur (11) présentant un profil correspondant à son extrémité libre.

11. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de cylindres et une pluralité de pistons, lesdits réchauffeur (4) et refroidisseurs (5a, 5b) agissant sur ces cylindres (3) qui reçoivent chacun un des pistons (2), les pistons étant asservis en translation par ledit mécanisme d'asservissement.

12. Chaudière (52) à cogénération produisant de l'électricité au moyen d'un moteur (1) selon l'une des revendications 1 à 10 pour entraîner au moins un noyau (56) par rapport à au moins une bobine (55) génératrice de courant.

Ansprüche

1. Externer Verbrennungsmotor (1), aufweisend mindestens:

- einen Zylinder (3), welcher ein geschlossenes Ende (3c) aufweist,

- einen in dem Zylinder beweglichen Kolben (2), welcher eine mit einem gasförmigen Fluid gefüllte Kammer (6a, 6b, 6c) abgrenzt,

- mindestens eine Heizeinrichtung (4) und mindestens eine Kühleinrichtung (5a oder 5b), welche auf die Kammer in dem Zylinder (3) einwirken, um den beweglichen Kolben (2) zwischen einer ersten maximalen Expansionsposition der Kammer und einer zweiten maximalen Kompressionsposition der Kammer zu verschieben,

- mindestens einen Mechanismus (20) zur Steuerung der Translationsbewegung des Kolbens (2),

dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) aus mindestens einer in dem Zylinder (3) in abdichtender Weise gleitenden Basis (10), einem in nicht abdichtender Weise in dem Zylinder (3) gleitenden Verdrängungskörper (11) und einer Welle (12) zum Antrieb des Verdrängungskörpers (11) durch die Basis (10) gebildet wird, wobei die Welle (12) auf der einen Seite mit der Basis (10) und auf der anderen Seite mit dem Verdrängungskörper (11) fest verbunden ist.

2. Motor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (3) von mindestens einem ersten Abschnitt (3a) gebildet wird, welcher durch einen zweiten Abschnitt (3b) verlängert wird, welcher selbst durch einen dritten Abschnitt (3c) verlängert wird, welcher das geschlossene Ende des Zylinders bildet, wobei die Heizeinrichtung (4) auf den zweiten Abschnitt (3b) des Zylinders (3) einwirkt und wobei die genannte Kühleinrichtung (5a oder 5b) auf den ersten und/oder den dritten Abschnitt (3a und/oder 3c) des Zylinders (3) einwirkt, wobei die Welle (12) und der Verdrängungskörper (11) derartig bemessen sind, um um die Welle (12) herum einen Arbeitsraum (6a) abzugrenzen, welcher in den zweiten Abschnitt (3b) des Zylinders (3) gelangt, wenn sich der Kolben (2) in der genannten zweiten Position befindet, und damit der Verdrängungskörper (11) in den gleichen zweiten Abschnitt (3b) gelangt, wenn sich der Kolben (2) in der genannten ersten Position befindet.

3. Motor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kühleinrichtungen (5a, 5b) und die Heizeinrichtung (4) auf die drei aufeinanderfolgenden Abschnitte (3a, 3b, 3c) des Zylinders (3) einwirken.

4. Motor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Heizeinrichtung (4) einen ringförmigen Heizraum (14) um den Zylinder (3) herum abgrenzt und jede Kühleinrichtung (5a oder 5b) mindestens einen ringförmigen Kühlraum (15a oder 15b) um den Zylinder (3) herum abgrenzt.

5. Motor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Leitung (17, 18, 19) zur Zirkulation des gasförmigen Fluids außerhalb des Zylinders (3) und welche den zweiten Abschnitt (3b) mit dem dritten Abschnitt (3c) des Zylinders (3) verbindet.

6. Motor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (17a, 18a, 19a) der genannten Zirkulationsleitung (17, 18, 19), welcher mit dem zweiten Abschnitt (3b) verbunden ist, entlang des Zylinders (3) derartig angeordnet ist, um durch die Heizeinrichtung (4) erwärmt zu werden, und ein anderer Abschnitt (17b, 18b, 19b) der genannten Zirkulationsleitung (17, 18, 19), welcher mit dem dritten Abschnitt (3c) des Zylinders (3) verbunden ist, entlang des Zylinders (3) derartig angeordnet ist, um durch die Kühleinrichtung (5b) gekühlt zu werden.

7. Motor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein System zur Steuerung jeder Kühleinrichtung (5a oder 5b) und/oder jeder Heizeinrichtung (4) in Abhängigkeit von mindestens einem im Inneren des dritten Abschnitts (3c) des Zylinders (3) und/oder des zweiten Abschnitts (2c) des Zylinders gemessenen Druck aufweist.

8. Motor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus zur Steuerung (20) der Translationsbewegung des Kolbens (2) eine Stange (21) aufweist, welche fest mit dem Kolben (2) und fest mit einem vorspringenden Anschlag (22) verbunden ist, welcher einerseits mit einem ersten elastischen Rückhalteelement (23) in der genannten ersten Position des Kolbens (2) und andererseits mit einem zweiten elastischen Rückhalteelement (24) in der genannten zweiten Position des Kolbens (2) zusammenwirkt.

9. Motor (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (22) abgerundete Kontaktflächen aufweist, wobei jedes elastische Rückhalteelement (23, 24) mindestens aufweist:

- eine fest mit dem Zylinder (2) verbundene Achse (26a, 26b),

- eine um die genannte Achse (26a, 26b) herum bewegliche Klemmbacke (25a, 25b),

- ein elastisches Rückstellelement (27a, 27b), welches die genannte Klemmbacke (25a, 25b) in vorspringender Position hält,

wobei jede Klemmbacke (25a, 25b) eine abgeschrägte Kante (28a, 28b) mit sanfter Versenkneigung und eine abgeschrägte Kante (29a, 29b) mit starker Neigung aufweist, welche einen elastischen Rückhalt des Anschlags (22) bis zu einer vorgegebenen Freigabekraft ausüben.

10. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (3) ein abgerundetes Profil an seinem geschlossenen Ende (3c) aufweist, wobei der Verdrängungskörper (11) ein Profil aufweist, welches seinem freien Ende entspricht.

11. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vielzahl von Zylindern und eine Vielzahl von Kolben aufweist, wobei die genannten Heizeinrichtung (4) und Kühleinrichtungen (5a, 5b) auf diese Zylinder (3) einwirken, welche jeweils einen der Kolben (2) aufnehmen, wobei die Kolben durch den genannten Steuermechanismus in Translation gesteuert werden.

12. Heizkessel (52) mit Wärmekraftkopplung, welcher mittels eines Motors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 Strom erzeugt, um mindestens einen Kern (56) in Bezug auf mindestens eine Strom erzeugende Spule (55) anzutreiben.

Claims

1. An external combustion engine (1) comprising at least:

- a cylinder (3) having a closed end (3c)

- a piston (2) able to move in the cylinder delimiting a chamber (6a, 6b, 6c) filled with a gaseous fluid,

- at least one heater (4) and at least one cooler (5a or 5b) acting on the chamber in the cylinder (3) to move the piston (2) that is mobile between a first maximal expansion position of the chamber and a second maximal compression position of the chamber,

- at least one servo mechanism (20) of the translational movement of the piston (2),

wherein the piston (2) is constituted by at least one base (10) sliding in a non-tight manner in the cylinder (3) and a drive shaft (12) for the displacer (11) by the base (10), the shaft (12) being joined on one side to the base (10) and to the other to the displacer (11).

2. An engine (1) according to Claim 1, wherein the cylinder (3) is constituted by at least a first portion (3a) extended by a second portion (3b) itself extended by a third portion (3c) constituting the closed end of the cylinder, the heater (4) acting on the second portion (3b) of the cylinder (3) and said cooler (5a or 5b) acting on the first and/or third portion (3a and/or 3c) of the cylinder (3), the shaft (12) and the displacer (11) being dimensioned so as to delimit around the shaft (12) a work space (6a) coming into the second portion (3b) of the cylinder (3) when the piston (2) is in said second position and so that the displacer (11) comes into this same second portion (3b) when the piston (2) is in said first position.

3. An engine (1) according to Claim 2, wherein two coolers (5a, b) and the heater (4) act on the three successive portions (3a, 3b, 3c) of the cylinder (3).

4. An engine (1) according to one of the above Claims, wherein each heater (4) delimits a ring-shaped heating space (14) around the cylinder (3) and each cooler (5a or b) delimits at least one ring-shaped cooling space (15a or 15b) around the cylinder (3).

5. An engine (1) according to one of Claims 2 to 4, wherein it comprises at least one gaseous fluid circulation duct (17, 18, 19) external to the cylinder (3) and linking the second portion (3b) with the third portion (3c) of the cylinder (3).

6. An engine (1) according to the previous Claim, wherein a part (17a, 18a, 19a) of said circulation duct (17, 18, 19) linked to the second portion (3b) is arranged along the cylinder (3) so as to be heated by the heater (4) and another part (17b, 18b, 19b) of said circulation duct (17, 18, 19) linked to the third portion (3c) of the cylinder (3) such as to be cooled by the cooler (5b).

7. An engine (1) according to one of the previous Claims, wherein it comprises a control system for each cooler (a or 5b) and/or each heater (4) according to at least one pressure value measured inside the third portion (3c) of the cylinder (3) and/or the second portion (2c) of the cylinder.

8. An engine (1) according to one of the previous Claims, wherein the servo mechanism (20) of the translational movement of the piston (2) comprises a rod (21) integral with the piston (2) and with a protruding limit stop (22) cooperating on one side with a first elastic retaining device (23) in said first position of the piston (2) and on the other side with a second elastic retaining device (24) is said second position of the piston (2).

9. An engine (1) according to the previous Claim, wherein the limit stop (22) has rounded contact surfaces, each elastic retaining device (23, 24) comprising at least:

- a pin (26a, 26b) integral with the cylinder (2)

- a bit (25a, 2b) around to move around said pin (26a, 26b),

- an elastic return device (27a, 27b) holding said bit (25a, 25b) in a protruding position,

each bit (25a, 2b) has an edge (28a, 28b) bevelled on a gentle retracting slope and an edge (29a, 29b) bevelled on an acute slope exerting elastic restraint of the limit stop (22) up to a predetermined release force.

10. An engine according to one of the previous Claims, wherein the cylinder (3) has a rounded profile at its closed end (3c), the displacer (11) having a matching profile at its free end.

11. An engine according to one of the previous Claims, wherein it comprises a plurality of cylinders and a plurality of pistons, said heater (4) and coolers (5a, 5b) acting on these cylinders (3) which each receive one of the pistons (2), the pistons being servo-controlled in translation by said servo mechanism.

12. A cogeneration boiler (52) producing electricity by means of an engine (1) according to one of Claims 1 to 10 to drive at least one core (56) with respect to at least one electricity-generating coil (55).

Dessins