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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.