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Moteur à gaz chaud, à plus d'un cycle. cycle. L'invention concerne un moteur à gaz chaud à plus d'un cycle.
Par moteur à gaz chaud, on entend une machine thermody- namique, dans laquelle un cycle thermo-dynamique est parcouru par une quantité de gaz logé dans une enceinte à volume variable, qui renferme ou communique directement avec une partie chauffante, éventuellement un récupérateur, ainsi qu'avec une partie réfrigé- rante, qui se trouve dans ou en communication directe avec une seconde enceinte de volume variable. L'enceinte adjacente à la partie chauffante est nommée "chambre chaude", tandis que l'encein- te adjacente à la partie réfrigérante est nommée "chambre froide".
Si nécessaire, une certaine quantité du gaz, renfermé dans les chambres spécifiées peut être admise dans un ou plusieurs cylindres ou cuves à fermeture séparée et être ramenée par la suite de ces cylindres ou de ces cuves dans les chambres. Dans tous ces cas, le cycle thermo-dynamique est considéré comme fermé.'
On peut éventuellement supprimer la partie réfrigérante du moteur et le remplacer par une communication périodiqu-e avec l'air extérieur, dans ce cas, une quantité d'air frais est aspirée pour chaque cycle. De tels moteurs sont nommés "moteurs à cycle ouvert".
Tant dans les moteurs à cycle ouvert que dans ceux à cy- cle fermé;, les variations du volume de la chambre chaude sont dé- calées par rapport à celles de la chambre froide de manière que le gaz soit successivement chauffé, détendu, refroidi, et comprimé.
On peut chauffer le gaz en chauffant la partie extérieure de la paroi. Cependant, il est préférable de prévoir entre la par- tie chaude et la partie froide du moteur un réchauffeur spécial et de répartir le gaz à chauffer par un grand nombre de canaux, montés en parallèle, et de le chauffer dans cet état divi sé. Il est recom- mandable de, chauffer séparément au moins deux des parois des canaux parcourus par le gaz à chauffer.Le réfrigérant ou radiateur des mo- teurs à circuit fermé peut être exécuté de manière analogue. Dans les moteurs à cycle ouvert, le radiateur est superflu, car après la détente,le gaz s'échappe dans l'air. Entre le réchauffeur et le radiateur, on peut prévoir un récupérateur.
Les moteurs auxquels - s'applique l'invention, donc à plus
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d'un cycle, comportent pour chacun de ces cycles une chambre froide et une chambre chaude ; chambres communiquent mais comportent des moyens de séparer les gaz qui participent aux divers cycles.
Dans un moteur connu à plus d'un cycle, le décalage, requis pour le fonctionnement du moteur,entre les déplacements du piston dans la chambre chaude et l'un des organes de la. chambre froide partici- pant à ce cycle est obtenu en accouplant chacun de ces deux organes au vilebrequin, à. l'aide de manivelles, qui forment entre elles un angle de 90 environ.L'autre partie de la chambre froide a.nparte- nant à ce cycle, subit aussi une modification de volume, provoquée par un piston. Cependant, ce résultat s'obtient d'une manière dé- savantageuse pour le fonctionnement du moteur, car le déplacement de ce piston est en phase avec celui du piston de la chambre chaude appartenant à ce cycle.
Le piston d'une parti e d'une chrmbre froide correspondant à l'un des cycles, est accouplé à un autre piston qui se déplace dans une chambre chaude et dans une partie d'une chair- bre froide qui n'appartiennent pas à, ce cycle. Bien que ce moteur offre l'avantage d'une manoeuvre très simple, il présente un in- convénient : chacune des chambres froides est divisée en deux par- ties, qui comportent chacune un. piston destiné à produire la va- riation du volume. Comme ces deux pistons ne se déplacent pas en phase, le volume de la chambre froide n'est jamais nul (en ne te- nant pas compte des espaces morts inévitables), ce qui affecte la puissance obtenable par unité de cylindrée de ce moteur.
La présente invention a pour but de fournir des moyens qui, tout en conservant la simplicité de manoeuvre, permettent d'augmenter notablement la puissance par unité de cylindrée; ce résultat E:st obtenu par une construction dans laquelle le volume de la chambre froide, que comporte chaque cycle, peut devenir nul ( sans tenir compte des espaces morts inévitables).
Le moteur à gaz chaud conforme à. l'invention à plus d'un cycle, est caractérisé par les faits suivants : a) l'écarte- ment des surfaces actives des paires de pistons qui déterminent le volume des chambres dans lesquelles se déroulent les cycles, est constant. b) l'une des surfaces actives d'une paire se déplace dans une chambre chaude et l'a.utre dans une chambre froide c) dans chaque cycle le décalage, requis pour le fonctionnement du moteur, entre la surface de piston dans la chambre chaude et la surface de piston dans la chambre froide est obtenu par le fait que le volume du gaz d'un cycle déterminé est uniquement modifié par deux surfaces de piston dont les déplacements ne sont pas en phase.
Contrairement au moteur déjà connu dans lequel la. chan- bre froide est subdivisée en deux parties et qui requiert donc deux organes pour modifier le volume de la chambre froide de cha- que cycle, dans le moteur conforme à l'invention, la variation du volume de la chambre froide de chaque cycle ne requiert qu'un seul piston, de sorte que la modification du volume de la chambre chaude et de la chambre froide appartenant à un cycle, ne requiert que deux pistons accouplés à deux manivelles qui forment entre elles un certain angle.
Outre l'avantage d'une puissance par unité de cylindrée plus élevée que dans le moteur connu (parce que chaque cycle ne comporte qu'une seule chambre froide dont le volume - en ne tenant pas compte de l'espace mort inévitable -peut acquérir une valeur nulle) cette réalisation simplifie la construction du moteur conforme à l'invention. Celui-ci peut être adapté à prati- quement tout nombre de cycles, cependant, par suite de l'angle de décalage, la solution la plus avantageuse consiste à utiliser quatre, cinq ou six cycles, voire des multiples de ces nombres.
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Dans le moteur conforme à l'invention, la paire de sur- faces de piston, ou chacune des paires qui affectent le volume des chambres dans lesquelles se déroulent les cycles peut être consti- tuée par les surfaces terminales de deux pistons, accouplés rigide- ment, dont chacun se déplace dans sa chambre propre.
De plus, suivant une autre formce d'exécution du moteur conforme à l'invention, la face qui n'affecte pas le volume du cycle de l'un des pistons d'une ou de plusieurs paire$ peut se dé- placer dans une enceinte dont le volume est tel que les irrégulari- tés dans les efforts transmis à la bielle soient, au moins partiel- lement, comparées par la compression d'un gaz contenu dans cette enceinte.
Suivant une autre forme d'exécution du moteur conforme à l'invention, chaque surface de piston de la paire ou de chacune des paires de surfaces qui affectent le volume de la chambre dans laquelle se déroulent ces cycles, est formée par la surface ter- minale d'un piston qui se déplace dans un cylindre cèmmun; l'une de ces surfaces terminales fait office de piston pour une chambre a chaude et'l'autre de piston pour une chambre froide. Comparativement à une exécution dans laquelle chaque manivelle est accouplée à deux pistons, c'ette exécution présente le grand avantage que la masse des organes du moteur animés d'un mouvement alternatif est beaucoup plus petite. De plus, cette réalisation simplifie la construction du moteur.
Comme l'une des faces du piston fait office de piston dans une chambre 'chaude et que l'autre face fait office de piston dans une chambre froide, les efforts exercés sur les tiges de pis- ton sont très petits ce qui assure une variation uniforme de ces efforts. De plus, pour autant que l'on ne tienne pas compte des écarts provoqués par la surface de la tige du piston, la somme des efforts dirigés vers le vilebrequin est toujours égale à la somme des efforts opposés. Ceci présente l'avantage que les coussi- nets principaux sont faiblement sollicités. Ces avantages sont particulièrement marqués dans les moteurs à régime rapide, tour- nant à 500, 1000 ou 1500 tours par minute.
Suivant une autre particularité de l'invention le moteur est construit en forme de V. Grâce à cette disposition, les canaux de communication entre les diverses chambres froides et chambres chaudes sont très courts, ce qui limite au minimum les espaces morts.
On obtient le même avantage lorsque, suivant une autre forme d'exécution du moteur conforme à l'invention, les organes transformateurs de mouvement, dits de manoeuvre, sont exécutés sous forme de mécanisme à disques animés d'un mouvement de mutation.
Dans ce cas, les chambres chaudes et froides appartenant aux divers cycles, sont groupées autour d'un axe commun, ce qui permet d'établi! de façon très simple des;canaux entre les chambres chaudes et les chambres froides dont la longueur doit être pratiquement la même.
En outre, comparativement à la combinaison d'un mécanisme à mouve- ment de mutation et d'une autre source de force motrice, un moteur à combustion par exemple, la combinaison moteur à gaz chaud-mécanis- ne mutant présente l'avantage que sauf les pistons, le mateur'à gaz chaud ne comporte pas d'organes mobiles tels que des soupapes, des tiroirs ou organes analogues, de sorte que cette combinaison permet de tirer profit de tous les avantages qu'offre un mécanisme nutant.
En particulier, la combinaison moteur à gaz chaud - méca- nisme nutant présente des avantages marqués lorsque les pistons du moteur sont à double effet, et que les tiges de piston sont donc peu .'sollicitées. Il en est ainsi par exemple dans l'exécu- tion du-moteur conforme à l'invention, décrite ci-dessus, dans
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laquelle chaque paire de surfaces de piston qui affectent le volume des chambres dans lesquelles se déroulent les cycles, est formée par les surfaces terminales d'un piston qui se déplace de façon étanche dans un cylindre commun et dont l'une des surfa- ces terminales fait office de piston dans une chambre chaude et l'autre, de piston dans une chambre froide. Les moteurs à combustion équipés d'un mécanisme à mouvement de nutation ne présentent pas cet avantage.
De plus, dans ces moteurs à combustion, par suite des grands efforts exercés sur les bielles, l'accou- plement entre les bielles etle disque nutant est nécessairement très compliqué. En appliquant l'invention à cette forme d'exécu- tion du moteur, on obtient une machine de construction très simple, qui présente l'avantage particulier suivant : les efforts axiaux sont pratiquement nuls alors que, dans les moteurs combustion, l'utilisation d'un mécanisme nutant requiert généralement un étaye- ment axial très compliqué.
Cn peut encore profiter de la présence de plusieurs chambres chaudes et de plusieurs chambres froides dans le moteur conforme à l'invention, cn établissent de diverses manières lp communication entre les diverses chambres, le tout de façon à per- mettre l'inversion du sens de marche du moteur.
La description du dessin annexée donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
La figure 1 représente schématiquement un moteur à gaz chaud, conforme à l'invention, dans lequel se déroulent quatre cycles. Le moteur comporte un arbre coudé commun 1, à quatre manivelles 2, 3 4 et 5, accouplées respectivement aux bielles 6, 7, 8 et 9. Chacune des bielles est reliée à un piston qui sur la figure 1, porte les indices 1C, 11, 12 et 13; ces pistons rendus étanches à l'aide de segments se déplacent dans les cylindres 14, 15, 16 et 17.
Le couvercle supérieur de chacun de ces cylindres comporte un joint, au travers duquel est guidée de fa.- çon étanche une tige de piston (18, 19, 2C et 21) accouplée à scn;tour à un second piston (22, 23,24 et 25); grâce aux segments, ces pistons se déplacent de façon étanche dans les cylindres 26, 27, 28 et 29. De cette manière, les pistons reliés à une manivelle sont donc toujours rigidement accouplés, de sorte qu'ils se dépla- cent toujours en phase. Le vilebrequin 1 port?' de plus le volume 30
Comme le montre le dessin, les chambres des cylindres 26, 27, 28 et 29 communiquent, par les canaux 31 32, 33 et 34. avec les chambres des cylindres 15, 16, 17 et 14.
Les cylindres 26, 27, 28 et 29 comportent successivement, dans le sens de la circulation du gaz qui parcourt les divers cycles du moteur, les réchauffeurs 35, les récupérateurs 36 et les radiateurs 37.
Le moteur fonctionne comme suit :
Quatre cycles se déroulent simultanément dont le premier, dans l'espace du cylindre 26 au-dessus du piston 22 comme chambre chaude, et dans l'espace du cylindre 15 au-dessus du piston 11 comme chambre froide. Ces deux chambres communiquent , de la façon généralement appliquée, dans les moteurs à gaz chaud, par l'intermédiaire du réchauffeur 35a, du récupérateur 36a, du ra- diateur 37a et du canal 31.
Le décalage, nécessaire au-fonction- nement du moteur, entre la contenance de la, chambre chaude et celle de la chambre froide est obtenu par le fait que le Diston 22, qui dans ce cycle, fait office de"piston chaud", et que le @
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piston 11, qui, dans ce cycle, fait office de piston froid, sont conjugués à deux manivelles 2' et 3, qui font entre elles un angle de 90 , Les autres cycles se déroulent de façon analogue dans les espaces, faisant office de chambres chaudes, des cylindres 27, 28 et 29 au-dessus des pistons 23, 24 et 25, et dans les chambres froi- des 16, 17 et 14 au-dessus des pistons 12' 13 et 10.
Le volume des chambres dans lesquelles se déroule chaque cycle n'est donc in- fluencé, dans le moteur conforme à l'invention, que par deux pis- tons : 22 et 11 pour le cycle qui se déroule dans les chambres 26 et 15. Un choix judicieux des angles formés par les manivelles 2,3, 4 et 5, et le fait que le volume, dans lequel se déroule chaque cycle, est affecté par deux pistons conjugués à des manivelles dif- férentes, permet de faire en sorte qu'à chaque manivelle soient accouplés rigidement deux pistons de manière que, dans chaque paire, l'écartement entre les surfaces actives de ces pistons soit toujours le même.
Le mécanisme de manoeuvre d'un tel moteur devient alors particulièrement simple. Pour compenser, partiellement au moins, les irrégularités dans les efforts exercés sur les ti'ges de piston on peut, suivant l'invention, faire en sorte qu'un ou plusieurs pistons d'une ou de plusieurs des paires dessinées puissent se dé- placer, du côté n'influençant pas le cycle, dans une enceinte rem- plie de gaz, et l'effet envisagé, à savoir l'uniformisation des ef- forts exercés sur les tiges du piston, peut être obtenu par com- pression du gaz contenu dans cette enceinte.
C'est ainsi que dans l'exécution représentée sur le dessin, ce résultat peut être obtenu en fermant hermétiquement toutes les parties inférieures de tous les cylindres supérieurs 26, 27, 28 et 29, de la manière indiquée en pointillés, de sorte que, pendant leur course de descente, les fa- ces inférieures des pistons 22, 23, 24 et 25 compriment le gaz contenu dans les chambres 38, 39, 40 et 41.
La figure 3 montre une autre forme d'exécution du mo- teur conforme à l'invention. Tant la face supérieure que la face inférieure de chacun des pistons 51, 52, 53 et 54, servent à in- fluencer le volume de l'un des quatre cycles qui se déroulent dans le moteur. Comparativement au moteur représenté sur la figure 1, celui ainsi obtenu présente l'avantage que se construction est plus simple encore, car chacune des manivelles 55, 56, 57 et 58 n'est accouplée qu'à un seul piston. Ceci est rendu possible par la fermeture hermétique de la partie inférieure des cylindres 59, 60, 61 et 62.
Si l'on ne tient provisoirement compte que des canaux de communication 63, 64, 65 et 66, représentés en traits pleins, entre les divers cylindres, le dessin montre que pour le premier cycle, la partie supérieure 59a du cylindre 59 fait office de chambre chaude et la partie 60b du cylindre 60 de chambre froide, tandis que pour les autres cycles, les chambres chaudes, respectivement froides, sont;, la partie supérieure 60a du cylindre 60 et la partie inférieure 61b du cylindre 61, la partie supérieure 61a du cylindre 61 et la partie inférieure 62b du cylindre 62, ainsi que la partie supérieure 62a du cylindre 62 et la partie intérieure 59b du cy- lindre 59. Tout comme sur la figure 1, on a prévu entre les parties chaudes et les parties froides du moteur les réchauffeurs 67, les récupérateurs 68 et les radiateurs 69.
Pour permettre l'inversion du sens de marche, le mo- teur comporte, outre les canaux 63, 64, 65 et 66, munis des vannes 63a, 64a,, 65a et 66a, les canaux 83, 84, 85 et 86, représentés en pointilles sur le dessin, qui peuvent être obturés à 1''aide des vannes 83a, 84a. 85a et 86a. Eu égard aux diverses positions relati- ves des manivelles, les diverses chambres chaudes et froides du mcrteur communiquent par les canaux, représentés en traits pleins et en pointillés, de manière que lorsque les vannes 63a, 64a, 65a et 66a sont ouvertes, le moteur tourne dans le sens de la flèche I, tandis que, lorsque les vannes 63a, 64a, 65a et 66a sont fermées
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et que les vannes 83a, 84a, 85a et 86a sont ouvertes, le moteur tourne dans le sens de la flèche II.
Pour limiter au minimum le. hauteur du moteur et cono- miser des crosses, les parties inférieures des pistons comportent, de la manière représentée sur la figure, des saillies cylindriques creuses 71,72, 73 et 74, guidées de façon étanche dans les cuver- tures pratiquées dans les fonds des cylindres. Ces saillies compor- tent des brcches transversales 75, 76, 77 et 78, qui servent à la fixation articulée des bielles 79, 8c, 81 et 82.
La figure 3 représente une forme d'exécution pasrticu- lière d'un moteur à deux cycles, conforme à l'invention. Le moteur comporte trois cylindres 9c, 91 et 92, dans lesquels se déplacent les troipistons 93, 94 et 95. Le piston 93 est à doubleeffet, tandisque les pistons 94 et 95 sont à simple effet. Par 1-linter- médiaire de la. tige de piston 96, d.e la crosse 97 et de la bielle 98, le piston 93 est accouplé à la manivelle 99 et au vilebrequin 10c, qui porte un volant ICI. Les pistons 94 et 95 sont accouplés rigidement par la tige 102, tandis que ces deux pistons agissent, par l'intermédiaire de la bielle 103; sur la manivelle 104 et par- tant sur l'arbre coudé.
De façon analogue à, celle représentée sur les figures 1 et 2, les parties supérieures des cylindres 90 et 91 comportent les réchauffeurs 105, les récupérateurs 106., et les radiateurs 107. Par l'intermédiaire de ces éléments, la partie su- périeure 90a d cylindre 90 communique avec le cylindre 92, tandis que le cylindre 91 communique avec la partie inférieure 90b du cylindre 90,
L'un des cycles se déroule dans la partie supérieure du cylindre 90a, qui fait office de chambre chaude et dansle cylindre 92, tandis que le volume de ces chambres est modifié par la par- tie supérieure du piston 93 qui fait office de piston chud et par le piston 95, qui fait office de piston froid.
Le volume de la chambre chaude de l'autre cycle est modifié par le piston 94, tandis que le volume de le, chambre froide de ce cycle est modifié par la partie inférieure du piston 93.
La figure 4 montre, en perspective, une forme d'exécu- tion du moteur conforme à l'invention, dans laquelle le dispositif transformateur de mouvement, dit de manoeuvre, est constitué par un mécanisme à disqueà mouvement, de nutation. Le moteur lui-même est du type représenté sur la figure 2. La figure montre les quatre cylindres 110, 111, 112, et 113, dans lesquels se déplacent les pistons à double effet, 114, 115, 116 et 117. Pour fa,ciliter la compréhension du dessin, les cylindres 110, 111, 112 et 113, ainsi que les pistons correspondants et les accessoires ne sont représen- tés que schématiquement en coupe. Pour augmenter la clarté du des- sin, les axes des cylindres sontacartés d'une distance plus grande qu'en pratique.
Les pistons sont accouplés rigidement aux tiges de piston 118, 119, 12c et 121, Ces tiges de piston sont reliées, par l'intermédiaire des tiges 122, 123, 124 et 125, au disque nu- tant 126. Pour permettre de suivre les mouvements de nutation du (fisque nutant pendant le fonctionnement du moteur, les articulations entre les tiges 122, 123, 124,125 et les tiges de piston 118, 119 120 et 121, d'une part et le disque nuta.nt 126 d'autre part, sont exécutées sous forme d'articulations à billes. Le disque nutant est accouplé à une partie en forme de Z 128 d'un arbre coudé de manière que cette partie puisse tourner, mais non glisser, par rapport au disque nutant et qu'elle ne puisse occuper d'autre posi- tion que celle perpendiculaire a la partie 128a de l'arbre coudé.
De ce fait, le disque nutant occupe toujours une position inclinée par rapport à la partie droite 127 de l'arbre coudé. Ceci est montré sur la figure 4; le plan passant par les axes p-p et p-r est per- pendiculaire à la partie 127 de l'arbre coudé; le plan du disque
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nutant est déterminé par les axes p-p et q-q, l'axe q-q formant un angl e oC. avecl'axe r-r.
L'un des avantages de cette forme d'exécution du moteur conforme à l'invention est le suivant : il suffit de disposer en carré les axes des cylindres 110, 111, 112 et 113, pour obtenir des canaux de communication très courts entre les divers cylindres, ce qui réduit évidemment au minimum lesespaces morts du moteur. De plus, tous les canaux peuvent être de même longueur, ce qui favorise la régularité de marche du moteur. Ces avantages subsistent lorsque le moteur proprement dit est exécuté non pas suivant la figure 2, mais suivant la figure 1.
Cependant, le moteur réalisé de la manière montrée sur la figure 2 présente les avantages complémentaires suivants.: Grâce aux pistons à double effet, la somme des efforts axiaux est pratiquement huile, ce qui permet de simplifier l'étayement de l'arbre coudé dans la direction longitudinale. De plus, il n'est pas n'cessaire de prévoir des commandes spéciales pour des organes de manoeuvre du moteur, tel.s que des soupapes, des tiroirs, et des dispositifs analogues qui seraient indispensables si le moteur, au lieu d'être à gaz chaud, était réalisé sous forme de moteur à combustion ou de machine à vapeur. La réalisation montrée sur la figure 4 permet. donc d'obtenir'une source de force motrice particulièrement simple, parfaitement équilibrée dans la direction axiale.
Par suite de la faible masse des parties en mouvement alternatif dans le moteur représenté sur la figure 4, celui-ci est particulièrement désigné pour fonctionner à régime rapide.
L'ouverture et la fermeture des divers canaux de communication des chambres chaudes et des chambres froides, permet de modifier le sens de marche du moteur d'une manière analogue à celle utilisée pour le moteur représenté sur la figure 2.