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Procédé de réglage de la chaleur fournie à un moteur à gaz chaud.
L'invention concerne un procédé de réglage de la quantité de chaleur fournie à un moteur à gaz chaud, et un moteur à gaz chaud auquel ce procédé est applicable.
Par moteur à gaz chaud, on entend une machine thermodynamique dans laquelle un cycle thermodynamique est décrit par une certaine quantité de gaz enfermée dans une enceinte à volume variable, qui renferme ou communique di- rectement avec une source chaude, éventuellement un récupé- rateur, ainsi qu'avec une source froide qui se trouve dans ou en communication directe avec une seconde enceinte de volume variable. L'enceinte communiquant avec la source chaude est nommée "chambre chaude", tandis que l'enceinte communiquant avec la source froide est nommée "chambre froide".
Une certaine quantité de gaz renfermée dans les chambres spécifiées peut être admise éventuellement dans un ou plusieurs cylindres ou espaces clos, à communication obtu- rable séparée, et être ramenée par la suite de ce cylindre ou de ces espaces clos dans les chambres. Dans ce cas, le cycle thermodynamique est dit fermé.
On peut éventuellement supprimer la source froide ,ou partie réfrigérante et la remplacer par une communication périodique avec l'air extérieur ; dans ce cas, une certaine quantité d'air est aspirée à chaque cycle. De tels moteurs sont nommés "moteurs à cycle ouvert". Tant dans les moteurs à cycle ouvert que dans ceux à cycle fermé, les variations du volume de la chambre chaude sont décalées par rapport à celles du volume de la chambre froide, de manière que le gaz soit successivement chauffé, détendu, refroidi et com- primé.
Le rendement avec lequel un moteur à gaz chaud transforme de la manière décrite la chaleur en travail méca- nique est donné dans le cas idéal par la fraction Tl - T2
Tl @
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dans laquelle Tl est la température absolue du gaz dans la partie chaude et T2, celle dans la partie froide. Comme, en pratique T2 dépend de la température des moyens de réfri- gération les pluscourants, à savoir l'eau et l'air, il faudra, pour assurer au moteur un rendement élevé, que T1 ait la plus grande valeur possible. Cependant, la valeur de Tl est limitée par la résistance mécanique des pièces du moteur qui sont en contact avec le gaz chaud.
Pour éviter une dissi- pation de chaleur inadmissible dans le cas d'une liaison avec des parties plus froides ou pour éviter une résistance thermique indésirable dans le cas d'une paroi qui sépare des gaz entre lesquels doit se produira un échange de chaleur, l'épaisseur de cespièces n'est pas illimitée. Ces consi- dérat,ions fixent un compromis entre la température maximum admissible et l'épaisseur de paroi requise pour une matière déterminée, compromis qui est basé sur la pression maximum à prévoir dans la machine pendant son fonctionnement. Dans les moteurs à gaz chaud connus, les procédés utilisés pour éviter la rupture de la paroi sous l'effet du fort échauffement ne donnent guère satisfaction.
Suivant un procédé connu, la puissance développée par le moteur à gaz chaud varie uniquement avec la chaleur dégagée par la source chaude. La capacité maximum de cette sour- ce est limitée de manière qu'à la charge maximum, la matière ne cède pas. Dans ce cas, le rendement est donc maximum à cette charge et, à de plus faibles charges, il diminue.
Suivant un autre procédé connu, dans lequel la sour- ce chaude est constituée par un brûleur de combustibles liquides ou à gaz, la source chaude est réglée de manière à fournir une quantité de chaleur constante. Dans ce cas, la température de la partie chaude du moteur varie en sens inverse de la puissance réglée d'une autre manière. On obtient donc la température maximum, et partant le rendement maximum, pendant la marche à vide du moteur; à charge croissante, le rendement diminue.
Suivant un troisième procédé connu, on s'efforce d'assurer à la manière chauffée une température constante en la maintenant, à vue, au rouge incandescent. Inutile d'insister sur l'imprécision d'un tel réglage. Enfin, une autre forme de réglage connue consiste à utiliser, pour la commande du tirage, la température des gaz résultant de la combustion, après que ceux-ci ont cédé leur chaleur au ré- chauffeur. Ce procédé ne permet pas d'atteindre le but envisagé car, aux faibles charges de la machine, la tempéra- ture des gaz de combustion différera moins de celle de la matière à chauffer qu'aux charges élevées.
Dans tous les procédés connus jusqu'à présent pour le réglage de la température de la matière du réchauf- feur suivant la puissance développée par le moteur ou suivant la quantité de chaleur fournie, il existe toujours une certaine relation entre la puissance développée par le moteur et la température de la matière du réchauffeur, peu importe que cette température diminue ou augraente à puissan- ce croissante ou qu'elle varie d'une manière très irrégulière. La puissance effective d'une machine à piston est donnée par la formule N = f x Pm x n. Dans cette expression, Pm est la pression effective moyenne sur le piston et n le nombre de tours par seconde. Le facteur f dépend de plu- @
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sieurs grandeurs de la machine.
Il en résulte qu'à une valeur déterminée de la puissance effective N ne correspond pas une valeur déterminée de Pm ni une pression déterminée dans le cylindre. Chaque valeur de la puissance effective peut donc provoquer la pression maximum dans le cylindre. De ce fait, suivant les méthodes de réglage connues, la température de la matière du réchauffeur devra toujours être limitée de manière que la limite de résistance mécanique, fixée pour cette température, ne soit pas dépassée.
Dans le procédé conforme à l'invention, la température de la matière du réchauffeur est réglée en modifiant la quantité de chaleur amenée de la source chaude suivant la pression de gaz dans le moteur, pression qui sollicite la partie la plus faible, et ce de manière que la température de cette plus faible partie soit telle, qu'à cette pression, la résistance mécanique et l'indéformabilité soient suffisamment grandes.
Les données requises à cet effet s.u sujet de la résistance mécanique en fonction de la température sont suffisamment connues par des données expérimentales pour toute une série de matières utilisées pour la fabrication des parties chaudes d'un moteur à gaz chaud. Contrairement à ce qui se passe dans le procédé connu, dans celui conforme à l'invention, la température de la partie la plus faible est donc une fonction de la pression y exercée. Le procédé conforme à l'invention présente l'avantage suivait: comparativement aux moteurs à gaz chaud connus, la température maximum du gaz, et partant le rendement, peuvent être augmentés aux faibles pressions moyennes.
D'autre part, l'application de la présente invention permet d'admettre une plus grande pression moyenne, ce qui implique une augmentation du moment de rotation du vilebrequin, que la pression moyenne maximum des moteurs à gaz chaud de même construction, puisque la température de la matière du réchauffeur est plus basse.
Ceci se produit évidemment au détriment du rendement.
Suivant une autre forme d'exécution de l'invention, le produit de la pression effective moyenne Pm et du nombre de tours n peut être porté à une valeur telle que la puissance maximum N soit dépassée, ce qui implique que la source chaude doit fournir une quantité de chaleur telle qu'elle dépasse sa charge de régime. Par charge de régime de la source chaude, on entend la charge maximum à ne pas dépasser sans que le brûleur en soit affecté immédiatement, ou au bout de peu de temps.
Comme charge de régime il y a lieu de considérer par exemple la charge pour laquelle le combustible et l'air de combustion transmis à la source chaude garantissent une combustion aussi complète que possible, d.ont les gaz résultant de la combustion ne renferment donc pas de particules de combustible et par laquelle les pièces du brûleur ne soient pas portées à une température supérieure à celle admissible de façon permanente. Le degré et la durée de surcharge de la source chaude dépendent de la mesure dans laquelle les phénomènes qui ne se manifestent pas encore à la charge de régime constituent un danger pour le fonctionnement de cette source.
La présence
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de gaz combustibles dans les gaz d'échappement provoque évidemment des pertes qui sont cependant peu importantes pour autant que cette surcharge ne soit pas de trop longue durée; par contre, les accumulations de poussière incombustible dans l'évacuation constituent un danger.
La description du dessin annexé, 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 ladite invention.
La fig.l montre les variations du rendement thermique pour divers états de charge obtenu suivant plusieurs procédés connus et suivant l'invention.
La fig. 2 donne, pour deux matières déterminées la relation entre la résistance mécanique et la température.
La fig. Z donne, dans le cas d'application de l'invention, la relation entre la température et la pression moyenne admissible.
La fig. 4 donne, pour le même cas, la relation entre Le rendement thermique idéal et la pression du gaz.
La fig. 5 donne la relation entre le moment de rotation et le nombre de tours d'un moteur à gaz chaud, tant avec que sans l'utilisation du procédé conforme à l'invention.
La fig. 6 montre schématiquement une partie d'un moteur à gaz chaud auquel l'invention est appliquée.
La fig. 1 donne graphiquement et pour divers cas la relation entre la tempéra.ture de la partie chaude du moteur a gaz chaud et la puissance développée par le moteur. Tous ces cas sont considérés pour un moteur à gaz chaud de même construction et dans lequel à température croissante, les variations de la charge maximum admissible dans la matière du réchauffeur sont identiques.
La température maximum admissible dans ce moteur, compatible avec la pression maximum prévisible du gaz, est indiquée par 10. La partie hachurée en représente la zone de variations de la température dans le cas d'un réglage tel que le réchauffeur soit maintenu, à vue, à température approximativement constante. Cette température varie alors arbitrairement a l'intérieur de cette surface, quelle que soit la. puissance. La droite 12 représente le cas dans lequel le flux de chaleur est maintenu constant quelle que soit la puissance développée. Dans ce cas, à puissance développée croissante, la température de la matière du réchauffeur baisse. Cette température varie suivant une
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droite lorsque le réglage de la puissance résulte uniquement de la modification de la quantité de chaleur fournie.
Lorsque le réglage de la température du réchauffeur est assuré par la température des gaz résultant de la combustion qui ont cédé de la chaleur au moteur, cette température varie suivant la droite 14.
De ce qui précède il résulte que, dans tous les cas connus, la température maximum ne dépasse jamais la température limite 10. Par contre, lorsqu'on applique le procédé conforme à l'invention, on dispose d'une zone plus grande, à savoir la surface 15 hachurée, dans laquelle la température peut, par une diminution de la pression dans le cylindre, être portée jusqu'à la valeur 29.
Pour réaliser ce procédé, on utilise la relation qui existe entre les variations de la température d'une matière et celles de sa résistance mécanique. A température croissante, la résistance mécanique de la.plupart des matières pratiquement utilisables diminue. Des courbes 16 et 17 donnent graphiquement les variations de cette résistance K, portée en ordonnées, en fonction de la température T, portée en abcisses. Ces courbes température-résistance mécanique expriment la relation entre la température de la matière et la résistance mécanique.
En général, la relation entre la résistance mécanique K et la température absolue T affecte la forme Km= C x T-n, expression dans laquelle m et n dépendent des caractéristiques de la matière. Dans les deux cas représentés sur la fig. 2 pour la matière 16, m est plus grand que n, tandis que pour la matière 17, m est plus petit que n.
A titre dexemple, la courbe température-résistance mécanique 17 est celle de l'acier au chrome nickel connu sous le nom de NCT3. A 200 C, la résistance mécanique est de 54 kg/mm et reste pratiquement invariable jusqu'à 400 C.
A 500 C, cette résistance mécanique est de 49 kg/mm2, à 600 C de 39 kg/mm2, à 700 C de 29 kg/mm2 et à 800 C de 18 kg/mm2. A une baisse de température de 700 C jusqu'à 400 C correspond donc une augmentation de la résistance mécanique de 190%.
Ces courbes température-résistance mécanique de diverses matières ont permis de tracer les courbes montrées sur la fig.3 qui donnent la relation entre la pression - moyenne maximum admissible dans le cylindre et la. température des parties chauffées les plus faibles de ce cylindre.
Ces figures prouvent que les résultats obtenables avec les matières 16 et 17 diffèrent. Lorsque, en un point déterminé 18, pour lequel le point de fonctionnement à pleine charge normal du moteur est choisi à une température déterminée 19, on peut admettre une pression moyenne déterminée 20, à température décroissante, la matière 16 permettra un plus grand accroissement de la pression que la matière 17. Il est vrai que les caractéristiques représentées prouvent que, dans le cas de faibles baisses de la température, la résistance mécanique de la matière 16 sera quelque peu plus élevée, mais cette zone est de peu d'importance pour le réglage,
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car ce sont précisement les grands accroissements de pression qui jouent un rôle important.
La fig. 4 montre les variations du rendement thermique d'un acteur à gaz chaud idéal, donc sans pertes, n = T1 - T2 / T en fonction de la pression moyenne admissible Fm pour diverses matières 16 et 17. La baisse de température correspondant à un accroissement de la pression moyenne, baisse qui est montrée sur la fig. 3, provoque en effet une diminution du rendement thermique et comme la baisse minimum indispensable de la température dépend de la matière utilisée, le rendement dépendra, d'une façon analogue des propriétés de la matière. La fig.4 montre aussi que, dans la zone la plus importante, la matière 16 fournira des résultats légèrement meilleurs que ceux obtenus avec la matière 17.
La fig. 5 donne la relation entre le moment de rotation M et le nombre de tours n d'un moteur à gaz chaud connu, pour une puissance maximum déterminée représentée par la ligne en traits pleins 21-22-23. Aux faibles vitesses, à savoir sur la ligne 23-22, le couple maximum est déterminé par la pression moyenne maximum admissible dans le cylindre, de sorte que la puissance développée est alors inférieure à la puissance correspondant à la pleine charge.
Au point 22, le produit de ce couple maximum et du nombre de tours est précisémentégal à la puissance correspondant à la pleine charge, c'est-à-dire égal à l'équivalent mécanique de la chaleur. Comme le produit du nombre de tours et du couple ne saurait dépasser cette valeur, un accroissement supplémentaire du nombre de tours provoquerait donc nécessairement une diminution du couple: Ce fait est représenté par l'allure hyperbolique de la courbe 22-21. La partie de cette courbe hyperbolique, située au-dessus du point 22 et qui est représentée en pointillés sur la figure, n'est pas utilisable en pratique car elle est située dans une zone où la pression moyenne dépasse celle admissible à la température de la natière. Les moteurs à gaz chaud connus sont donc liés à un couple maximum dont la valeur est représentée par la grandeur 23 sur la. fig. 5.
Diverses applications, par exemple la traction et les appareils de levage, requièrent au moins pendant une fraction de la période de fonctionnement, un moteur à même de développer un couple notablement plus élevé que celui requis en fonctionnerent normal.
Comme ce couple n'est nécessaire que pendant un temps assez court, les inconvénients y inhérents peuvent être admis sans plus. C'est ainsi que le faible rendement du moteur pendant ce temps ne constitue pas un grave inconvénient.
L'application de l'invention à un moteur à gaz chaud dont la caractéristique affecte la forme représentée sur la fig. 5 permet d'obtenir l'accroissement désiré du couple bien que cet accroissement soit obtenu au détriment @
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du rendement. Comme le montre la fig. 3, rien n'empêche d'augmenter la pression moyenne Pm, pour autant qu'en même temps, la température de la matière du réchauffeur soit abaissée, Comme le montrent les courbes 16 et 17 de la fig.13,, la relation entre l'accroissement de la pression et la baisse de la température dépend de la matière utilisée. Pour ces deux mêmes matières, les courbes 16 et 17 de la fig. 5 montrent les variations de la puissance du moteur lors d'une baisse de la température et d'une hausse de la pression moyenne.
Lorsque les parties chauffées du moteur sont en matière 16, on peut obtenir, à une vitesse déterminée, le couple maximum 25; par contre, à la même vitesse, la matière 17 ne permet d'obtenir qu'un couple maximum 24. Cependant, comme le montre la fig. 4, lorsque la pression moyenne croit, le rendement diminue, de sorte que, suivant la matière utilisée, les points 24 et 25 ne se trouveront pas sur les courbes hyperboliques initiales 21 et 22 mais légèrement à gauche de celles-ci, car, par suite de la diminution du rendement, la puissance développée est moindre.
La fig. 5 montre en outre que, dans ces conditions, la matière 16 convient le mieux à la fabrication des parties chauffées du moteur, car elle assure la diminution minimum de la puissance développée par le moteur et en même temps, le plus grand couple. La fig. 2 montre que les matières les plus avantageuses sont celles dont le rapport entre la résis- tance mécanique et les variations en fonction de la tempé- rature est exprimé par une équation dans laquelle une puissance élevée de la résistance mécanique est inversement proportionnelle à la température.
Graphiquement, ceci est exprimé par le fait que la courbe de la matière la plus avantageuse, dans ce cas la courbe 16, est incurvée et que sa partie convexe est tournée vers l'origine du système des axes du diagramme qui exprime la température en fonction de la résistancemécanique. Lorsqu'on utilise l'acier au nickelchrome NCT3 déjà mentionné, et que l'on admet que la température baisse de 700 C jusqu'à 400 C, la pression moyenne indiquée peut augmenter de 190%; cependant ceci provoque une diminution du rendement théorique de sorte que finalement, le couple peut être 1,7 fois plus grand environ.
La fig. 6 montre une forme de réalisation d'un moteur à gaz chaud auquel la présente invention est appliquée. Le moteur lui-même est constitué par un cylindre entouré d'un réchauffeur 30, d'un récupérateur 31 et d'un radiateur 32. Dans ce cylindre se déplace le balayeur 33 commandé par une bielle 48. Dans le prolongement de la chemise de ce balayeur se déplace le piston 34 qui est commandé par une bielle de piston 47. Les autres organes de commande du piston et du balayeur, à savoir lé vilebrequin et les moyens éventuels pour modifier le décalage entre le mouvement du piston et celui du balayeur n'intéressent pas la présente invention et sont donc laissés hors considération.
Le réchauffeur 30 de ce moteur comporte en outre une cloison 35 qui sépare hermétiquement le contenu du cylindre de l'ambiance et à travers laquelle doit s'effectuer le transport de chaleur. Pour capter la chaleur des gaz de combustion provenant du brûleur 37, la paroi 35 du réchauf-
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feur comporte sur sa face extérieure, des nervures 36. Pendant le fonctionnement du moteur, la paroi 35 du réchauffeur est portée à une température très élevée de manière à assurer au réchauffeur une température de 600 C, voire plus. Aux températures élevées, cette paroi constitue donc la partie la plus faible du moteur, de sorte que la pression moyenne admissible dans le cylindre dépend de la résistance mécanique de cette paroi.
La température de cette -paroi est mesurée à l'aide d'un observateur de tem- pérature 38 placé dans une ouverture ménagée dans cette paroi. Dans la forme d'exécution représentée cet observateur de température consiste en un couple therno-électriaue dont les conducteurs sont reliés, par l'intermédiaire d'un potentionètre 42, au dispositif' de réglage électrique 43. Ce dispositif de réglage comporte une partie mé- canique réunie d'un levier 44 qui déplace, dans la conduite d'alimentation 46 du brûleur 37, un volet de réglage 45. Le curseur 41 du potentiomètre 42 est commandé par le piston :3'un cylindre ae mesure de pression 40 qui communique, par l'intermédiaire d'un étroit canal 39, avec le cylindre du moteur à gaz chaud.
Les dimensions du canal 39 sont si petites que les variations de pression périodiques pendant une rotation du vilebrequin ne sont pas transmises du cylindre au dispositif de mesure 40. Dans l'enceinte de ce dispositif de mesure règne une pression égale à la pression moyenne du cycle dans le cylindre du moteur. Pour régler la puissance du moteur, la culasse 50 comporte un régulateur centrifuge 52, commandé par un arbre 49 accouplé au vilebrequin. La tension des ressorts du régulateur, tension qui compense la force centrifuge, est réglable de l'extérieur à l'aide d'un levier 54 qui agit sur une collerette 53 à laquelle sont fixés les ressorts. Le déplacement de ce levier 54 est effectué à l'aide de la manette 55 qui sert aussi au réglage de la puissance du moteur.
Le déplacement de la colerette 53 mentionnée permet de régler l'équilibre du régulateur pour diverses vitesses de rotation, de sorte que la puissance développée par le moteur à gaz chaud est automatiquement adaptée aux aiverses vitesses fixées par le réglage du levier de puissance 55. Le réglage de la puissance du moteur est effectué de manière connue, par exemple par le fait que la tige de réglage, solidaire du régulateur 52 modifie le décalage entre le mouvement du piston et celui du balayeur. Pendant cette partie du réglage de la puissance, la pression moyenne dans le cycle reste constante, de sorte que le dispositif de mesure de la pression 40 n'entre pas en fonctionnement.
S'il y a lieu de fournir un couple plus grand que celui obtenable par l'accroissement de la pression effective moyenne à l'aide du décalage entre le piston et le oalayeur, la quantité de gaz utilisée dans le moteur est artificiellement augmentée en ouvrant un robinet 57 qui assure la pénétration dans le cylindre, par l'intermédiaire de la conduite 56, d'une quantité de gaz additionnelle. De ce fait, la pression moyenne dans le cycle augmente de sorte que le dispositif de réglage de la pression 40 entre en fonctionnement et déplace le contact 41 du potentiomètre 42 de manière qu'une plus grande fraction de la tension du couple thermo-électrique 38 soit appliquée au dispositif de réglage électromécanique 43.
Ce réglage assure donc le même effet qu'une augmentation de la-température du couple thermo-
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électrique 38 de sorte que le volet de réglage 45 et la conduite de combustible 46 sont mis en circuit et que l'afflux de chaleur dans le brûleur 37 diminue. Ceci provoque évidemment une baisse de la température de la matière du réchauffeur. Dès que ce plus grand couple devient superflu le gaz en excès peut être soustrait du moteur et le dispositif de réglage de la pression 40 ramène alors la température à son niveau initial.
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A method of regulating the heat supplied to a hot gas engine.
The invention relates to a method for controlling the amount of heat supplied to a hot gas engine, and a hot gas engine to which this method is applicable.
By hot gas engine is meant a thermodynamic machine in which a thermodynamic cycle is described by a certain quantity of gas enclosed in an enclosure of variable volume, which encloses or communicates directly with a hot source, possibly a recuperator, as well as with a cold source which is located in or in direct communication with a second enclosure of variable volume. The enclosure communicating with the hot source is called "hot room", while the enclosure communicating with the cold source is called "cold room".
A certain quantity of gas contained in the specified chambers may optionally be admitted into one or more cylinders or confined spaces, with separate closable communication, and be subsequently returned from this cylinder or these confined spaces to the chambers. In this case, the thermodynamic cycle is said to be closed.
The cold source, or cooling part, can optionally be removed and replaced by periodic communication with the outside air; in this case, a certain amount of air is sucked in each cycle. Such motors are called "open cycle motors". In both open cycle and closed cycle engines, the variations in the volume of the hot chamber are offset from those in the volume of the cold chamber, so that the gas is successively heated, expanded, cooled and controlled. premium.
The efficiency with which a hot gas engine transforms heat into mechanical work in the manner described is given in the ideal case by the fraction Tl - T2
Tl @
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in which Tl is the absolute temperature of the gas in the hot part and T2, that in the cold part. As, in practice T2 depends on the temperature of the most current refrigeration means, namely water and air, it will be necessary, in order to ensure high efficiency for the motor, that T1 has the highest possible value. However, the value of Tl is limited by the mechanical strength of the engine parts which are in contact with the hot gas.
In order to avoid an inadmissible heat dissipation in the case of a connection with colder parts or to avoid an undesirable thermal resistance in the case of a wall which separates gases between which an exchange of heat will take place, the The thickness of these parts is not unlimited. These considerations establish a compromise between the maximum allowable temperature and the wall thickness required for a given material, a compromise which is based on the maximum pressure to be expected in the machine during its operation. In the known hot gas engines, the methods used to prevent the rupture of the wall under the effect of strong heating are hardly satisfactory.
According to a known method, the power developed by the hot gas engine varies only with the heat given off by the hot source. The maximum capacity of this source is limited so that at maximum load the material does not yield. In this case, the efficiency is therefore maximum at this load and, at lower loads, it decreases.
According to another known method, in which the hot source is constituted by a burner of liquid or gas fuels, the hot source is adjusted so as to supply a constant quantity of heat. In this case, the temperature of the hot part of the motor varies in the opposite direction to the power set in another way. The maximum temperature is therefore obtained, and hence the maximum efficiency, while the engine is idling; with increasing load, the efficiency decreases.
According to a third known process, an attempt is made to ensure a constant temperature in the heated manner by maintaining it, visibly, glowing red. No need to insist on the imprecision of such a setting. Finally, another known form of regulation consists in using, for the control of the draft, the temperature of the gases resulting from the combustion, after these have given up their heat to the heater. This process does not achieve the intended object because, at low machine loads, the temperature of the combustion gases will differ less from that of the material to be heated than at high loads.
In all the methods known until now for the adjustment of the temperature of the material of the heater according to the power developed by the engine or according to the quantity of heat supplied, there always exists a certain relation between the power developed by the engine. and the temperature of the heater material, it does not matter whether this temperature decreases or increases with increasing power or that it varies in a very irregular manner. The effective power of a piston machine is given by the formula N = f x Pm x n. In this expression, Pm is the average effective pressure on the piston and n is the number of revolutions per second. The factor f depends on several @
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different sizes of the machine.
It follows that a determined value of the effective power N does not correspond to a determined value of Pm nor a determined pressure in the cylinder. Each value of the effective power can therefore cause the maximum pressure in the cylinder. Therefore, according to known adjustment methods, the temperature of the material of the heater must always be limited so that the mechanical resistance limit, fixed for this temperature, is not exceeded.
In the process according to the invention, the temperature of the material of the heater is regulated by modifying the quantity of heat supplied from the hot source according to the gas pressure in the engine, pressure which requests the weakest part, and this from so that the temperature of this smaller part is such that at this pressure, the mechanical strength and undeformability are sufficiently large.
The data required for this purpose on the subject of mechanical strength as a function of temperature are sufficiently known from experimental data for a whole series of materials used for the manufacture of the hot parts of a hot gas engine. Contrary to what happens in the known method, in that according to the invention, the temperature of the weakest part is therefore a function of the pressure exerted there. The process according to the invention has the following advantage: compared to known hot gas engines, the maximum temperature of the gas, and hence the efficiency, can be increased at low average pressures.
On the other hand, the application of the present invention makes it possible to admit a greater average pressure, which implies an increase in the torque of the crankshaft, than the maximum average pressure of hot gas engines of the same construction, since the heater material temperature is lower.
This obviously occurs to the detriment of efficiency.
According to another embodiment of the invention, the product of the mean effective pressure Pm and of the number of revolutions n can be brought to a value such that the maximum power N is exceeded, which implies that the hot source must provide such an amount of heat that it exceeds its rated load. By hot source operating load, we mean the maximum load which must not be exceeded without affecting the burner immediately, or after a short time.
As an operating load, it is necessary to consider, for example, the load for which the fuel and the combustion air transmitted to the hot source guarantee as complete combustion as possible, d. Of which the gases resulting from the combustion therefore do not contain particles of fuel and by which the burner parts are not permanently heated to a temperature higher than that permissible. The degree and duration of overload of the hot source depend on the extent to which the phenomena which are not yet manifested at the steady-state load constitute a danger for the operation of this source.
The presence
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of combustible gases in the exhaust gases obviously causes losses which are, however, small, provided that this overload does not last too long; on the other hand, the accumulation of non-combustible dust in the exhaust constitutes a danger.
The description of the appended drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the particularities which emerge both from the text and from the drawing, of course, forming part of said invention.
Fig.l shows the variations in thermal efficiency for various states of charge obtained according to several known methods and according to the invention.
Fig. 2 gives, for two determined materials, the relationship between mechanical resistance and temperature.
Fig. Z gives, in the case of application of the invention, the relationship between the temperature and the average admissible pressure.
Fig. 4 gives, for the same case, the relation between the ideal thermal efficiency and the gas pressure.
Fig. 5 gives the relationship between the torque and the number of revolutions of a hot gas engine, both with and without the use of the method according to the invention.
Fig. 6 schematically shows part of a hot gas engine to which the invention is applied.
Fig. 1 gives graphically and for various cases the relationship between the temperature of the hot part of the hot gas engine and the power developed by the engine. All these cases are considered for a hot gas engine of the same construction and in which at increasing temperature, the variations of the maximum admissible load in the material of the heater are identical.
The maximum admissible temperature in this engine, compatible with the maximum foreseeable gas pressure, is indicated by 10. The hatched part represents the zone of temperature variations in the case of an adjustment such that the heater is maintained, at sight. , at approximately constant temperature. This temperature then varies arbitrarily inside this surface, whatever the. power. Line 12 represents the case in which the heat flow is kept constant whatever the power developed. In this case, with increasing power output, the temperature of the heater material drops. This temperature varies according to a
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right when the power setting results only from the change in the amount of heat supplied.
When the temperature of the heater is adjusted by the temperature of the gases resulting from combustion which have yielded heat to the engine, this temperature varies according to line 14.
From the foregoing it follows that, in all known cases, the maximum temperature never exceeds the limit temperature 10. On the other hand, when the method according to the invention is applied, a larger zone is available, at namely the hatched area, in which the temperature can, by reducing the pressure in the cylinder, be raised to the value 29.
To carry out this process, one uses the relation which exists between the variations of the temperature of a material and those of its mechanical resistance. At increasing temperature, the mechanical strength of most practically usable materials decreases. Curves 16 and 17 graphically give the variations of this resistance K, plotted on the ordinate, as a function of the temperature T, plotted on the abscissa. These temperature-mechanical resistance curves express the relationship between the temperature of the material and the mechanical resistance.
In general, the relation between the mechanical resistance K and the absolute temperature T affects the form Km = C x T-n, an expression in which m and n depend on the characteristics of the material. In the two cases shown in fig. 2 for matter 16, m is greater than n, while for matter 17, m is less than n.
By way of example, the temperature-mechanical resistance curve 17 is that of chromium nickel steel known under the name of NCT3. At 200 C, the mechanical resistance is 54 kg / mm and remains practically invariable up to 400 C.
At 500 C, this mechanical strength is 49 kg / mm2, at 600 C 39 kg / mm2, 700 C 29 kg / mm2 and 800 C 18 kg / mm2. A drop in temperature from 700 C to 400 C therefore corresponds to an increase in mechanical resistance of 190%.
These temperature-mechanical resistance curves of various materials made it possible to draw the curves shown in fig.3 which give the relationship between the pressure - maximum average admissible in the cylinder and the. temperature of the weaker heated parts of this cylinder.
These figures show that the results obtainable with materials 16 and 17 differ. When, at a determined point 18, for which the normal full load operating point of the engine is chosen at a determined temperature 19, a determined average pressure 20 can be admitted, at decreasing temperature, the material 16 will allow a greater increase in pressure than the material 17. It is true that the characteristics shown prove that, in the case of small drops in temperature, the mechanical resistance of the material 16 will be somewhat higher, but this zone is of little importance for adjustment,
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because it is precisely the large increases in pressure that play an important role.
Fig. 4 shows the variations in the thermal efficiency of an ideal hot gas actor, therefore without losses, n = T1 - T2 / T as a function of the average admissible pressure Fm for various materials 16 and 17. The temperature drop corresponding to an increase of the average pressure, drop which is shown in fig. 3, in fact causes a reduction in the thermal efficiency and as the minimum essential drop in temperature depends on the material used, the efficiency will depend, in a similar way, on the properties of the material. Fig. 4 also shows that, in the largest area, material 16 will provide slightly better results than those obtained with material 17.
Fig. 5 gives the relation between the torque M and the number of revolutions n of a known hot gas engine, for a determined maximum power represented by the solid line 21-22-23. At low speeds, namely on line 23-22, the maximum torque is determined by the maximum allowable average pressure in the cylinder, so that the power developed is then less than the power corresponding to full load.
At point 22, the product of this maximum torque and the number of revolutions is precisely equal to the power corresponding to full load, i.e. equal to the mechanical equivalent of heat. As the product of the number of revolutions and the torque cannot exceed this value, an additional increase in the number of revolutions would therefore necessarily cause a decrease in the torque: This fact is represented by the hyperbolic shape of curve 22-21. The part of this hyperbolic curve, located above point 22 and which is shown in dotted lines in the figure, cannot be used in practice because it is located in a zone where the mean pressure exceeds that admissible at the temperature of the natière. Known hot gas engines are therefore linked to a maximum torque, the value of which is represented by the magnitude 23 on the. fig. 5.
Various applications, for example traction and hoists, require at least a fraction of the period of operation, an engine capable of developing significantly higher torque than required during normal operation.
As this torque is only necessary for a relatively short time, the inherent disadvantages can be admitted without more. Thus, the low efficiency of the motor during this time is not a serious drawback.
The application of the invention to a hot gas engine, the characteristic of which affects the shape shown in FIG. 5 makes it possible to obtain the desired increase in torque although this increase is obtained to the detriment @
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performance. As shown in fig. 3, nothing prevents increasing the average pressure Pm, provided that at the same time the temperature of the material of the heater is lowered, As shown by curves 16 and 17 of fig. 13 ,, the relation between the increase in pressure and the decrease in temperature depend on the material used. For these same two materials, curves 16 and 17 in FIG. 5 show the variations in engine power with a drop in temperature and a rise in average pressure.
When the heated parts of the engine are made of material 16, the maximum torque 25 can be obtained at a determined speed; on the other hand, at the same speed, the material 17 only makes it possible to obtain a maximum torque 24. However, as shown in FIG. 4, when the mean pressure increases, the efficiency decreases, so that, depending on the material used, points 24 and 25 will not be on the initial hyperbolic curves 21 and 22 but slightly to the left of them, because, for as a result of the reduction in efficiency, the power developed is less.
Fig. 5 further shows that, under these conditions, the material 16 is most suitable for the manufacture of the heated parts of the engine, since it ensures the minimum decrease in the power developed by the engine and at the same time the greatest torque. Fig. 2 shows that the most advantageous materials are those whose ratio of mechanical strength to changes with temperature is expressed by an equation in which a high strength of strength is inversely proportional to temperature.
Graphically, this is expressed by the fact that the curve of the most advantageous material, in this case curve 16, is curved and its convex part faces the origin of the system of axes of the diagram which expresses the temperature as a function of mechanical resistance. When the already mentioned NCT3 chromium-nickel steel is used, and the temperature is admitted to drop from 700 C to 400 C, the mean pressure indicated may increase by 190%; however this causes a decrease in theoretical efficiency so that ultimately the torque can be approximately 1.7 times greater.
Fig. 6 shows an embodiment of a hot gas engine to which the present invention is applied. The engine itself consists of a cylinder surrounded by a heater 30, a recuperator 31 and a radiator 32. In this cylinder moves the sweeper 33 controlled by a connecting rod 48. In the extension of the jacket this sweeper moves the piston 34 which is controlled by a piston rod 47. The other control members of the piston and of the sweeper, namely the crankshaft and the possible means for modifying the offset between the movement of the piston and that of the sweeper n are not relevant to the present invention and are therefore ignored.
The heater 30 of this engine further comprises a partition 35 which hermetically separates the contents of the cylinder from the environment and through which the heat transport must take place. To capture the heat of the combustion gases coming from the burner 37, the wall 35 of the heater
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The heater has ribs 36 on its outer face. While the engine is operating, the wall 35 of the heater is brought to a very high temperature so as to ensure the heater has a temperature of 600 ° C., or even more. At high temperatures, this wall therefore constitutes the weakest part of the engine, so that the average admissible pressure in the cylinder depends on the mechanical resistance of this wall.
The temperature of this wall is measured using a temperature observer 38 placed in an opening made in this wall. In the embodiment shown, this temperature observer consists of a thermoelectrical couple whose conductors are connected, by means of a potentioneter 42, to the electrical adjustment device 43. This adjustment device comprises a mechanical part. - canique assembled with a lever 44 which moves, in the supply pipe 46 of the burner 37, an adjustment flap 45. The cursor 41 of the potentiometer 42 is controlled by the piston: 3 ′ a pressure measuring cylinder 40 which communicates, via a narrow channel 39, with the cylinder of the hot gas engine.
The dimensions of the channel 39 are so small that the periodic pressure variations during a rotation of the crankshaft are not transmitted from the cylinder to the measuring device 40. Within the enclosure of this measuring device there is a pressure equal to the mean pressure of the cycle. in the engine cylinder. To adjust the power of the engine, the cylinder head 50 comprises a centrifugal governor 52, controlled by a shaft 49 coupled to the crankshaft. The tension of the springs of the regulator, tension which compensates for the centrifugal force, is adjustable from the outside using a lever 54 which acts on a collar 53 to which the springs are fixed. The movement of this lever 54 is effected using the lever 55 which also serves to adjust the engine power.
The displacement of the aforementioned collar 53 allows the regulator balance to be adjusted for various rotational speeds, so that the power developed by the hot gas engine is automatically adapted to the various speeds set by the adjustment of the power lever 55. The adjustment of the engine power is carried out in a known manner, for example by the fact that the adjustment rod, integral with the regulator 52, modifies the offset between the movement of the piston and that of the sweeper. During this part of the power adjustment, the average pressure in the cycle remains constant, so that the pressure measuring device 40 does not come into operation.
If it is necessary to provide a greater torque than that obtainable by increasing the average effective pressure by means of the offset between the piston and the blower, the quantity of gas used in the engine is artificially increased by opening a valve 57 which ensures the entry into the cylinder, via the pipe 56, of an additional quantity of gas. Because of this, the average pressure in the cycle increases so that the pressure adjuster 40 comes into operation and moves the contact 41 of the potentiometer 42 so that a larger fraction of the voltage of the thermoelectric couple 38 is applied to the electromechanical adjustment device 43.
This adjustment therefore ensures the same effect as an increase in the temperature of the thermo-torque.
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electric 38 so that the control flap 45 and the fuel line 46 are switched on and the heat flow into the burner 37 decreases. This obviously causes a drop in the temperature of the heater material. As soon as this greater torque becomes superfluous, the excess gas can be withdrawn from the engine and the pressure adjuster 40 then returns the temperature to its initial level.