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"Moteur à combustion interne utilisant la ohaleur perdue àtravers les parois du cylindre et àl'échappement."
L'objet de l'invention est un dispositif appliqué aux moteurs à combustion interne fonctionnant aveo des oarburants liquides et aériformes, dispositif qui, sans changer les pha- ses de fonctionnement normales du moteur, orée un nouveau oyole de fonotionnement qui permet l'utilisation d'une partie de la chaleur, qui à présent, se perd dans les gaz d'éohappement et à travers les parois du ou des cylindres moteurs.
Il est connu que dans les meilleurs moteurs à oombustion
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interne ce n'est qu'environ un tiers de la chaleur générée par la combustion du carburant qui est utilisé au travail et don- ne la puissance normale du moteur, tandis que, des deux autres tiers un huitième est absorbé par les frictions mécaniques du moteur et les autres sept huitièmes, o.à.d; environ trois cin- quièmes de la chaleur totale, se perdent dans les gaz d'éohap.. pement et,, par refroidissement, à travers les parois du cylindre.
Cette chaleur peut être utilisée pour la transformation de l'eau en vapeur surohauffée à pression et à température éle- vées, et admise à un ou à des cylindres moteurs pendant la pha- se d'Allumage et d'expansion du mélange d'air et de carburant.
La vapeur ainsi introduite dans les cylindres non seulement agit par expansion comme dans une machine à vapeur normale, mais, vu sa haute température et oelle qu'elle reçoit après son intro.. duction dans le cylindre, ainsi que la quantité considérable d'o- xygène y contenue et oombinée avec l'hydrogène, elle facilite et complète la oombustion du carburant.
Au lieu d'introduire de la vapeur surchauffée l'on peut aussi injecter de l'eau froide ou portée à une température plus ou moins élevée par la chaleur des gaz d'échappement et de la ohaleur irradiée par les parois du cylindre de façon à ce que l'eau injectée dans le cylindre dans un moment prédéterminé de la phase d'expansion du mélange enflammé d'air et de oarbu..
rant absorbe de celui-ci une quantité prédéterminée de chaleur et se transforme instantanément et successivement d'eau en va,,- peur humide, et puis sèche, et à la fin surchauffée, et aussi en gaz à pression élevée et à température également élevée mais infé rieure à la température normale qu'on aurait à ce moment et suo- cessivement dans le oylindre si celui-ci ne fonctionnait qu'a- veo combustion de carburant, o.â.d. qu'avec l'injeotion d'eau et sa transformation en vapeur on augmente le volume, et par oon- séquent la pression du fluide agissant dans la phase'motrice, et on en-diminue la température.
Cette diminution de tempéra-
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ture se maintient, et par conséquent le fluide à l'instant de l'ouverture de la-soupape d'échappement se trouve à une tempe-. rature de beauooup inférieure à la température normale du fono- tionnement à seule combustion de carbutant, ce qui permet d'obte ni% un avantage évident et connu au point de vue du rendement du moteur. En outre la ohaleur résiduelle des gaz d'échappement est utilisée, comme on verra plus loin pour le ohauffage de l'eau à injeoter dans le cylindre$ et ne se perd qu'en partie.
De cette façon, en injeotant de la vapeur surchauffée, ou en injectant de l'eau chaude se transformant instantanément on va- peur surohauffée, l'on obtient que la puissance du moteur est augmentée pour deux raisons: I ) par l'action directe de la vapeur sur le piston et 20) par l'action indirecte sur la oom. bustion du mélange; c.à.d. par aotion chimique.
Le dispositif suivant l'invention basé sur le prinoipe technique ci-dessus énonoé peut être appliqué industriellement à tous types de moteurs à combustion interne soit à deux, soit quatre temps, soit à aspiration d'un mélange d'air et de car- burant atomisé, ou d'air et de gaz carburant.
Comme l'application de l'invention aux divers types de moteurs oi-dessus indiqués est analogue, elle sera ioi décrite titre d'exemple pour l'applioation aux moteurs fonctionnant suivant le cycle de Diesel. Comme on le sait, ces moteurs as- pirent et compriment l'air pu!' à 25 et jusquà 30 kg. par cen- timètre oarré de pression. Cette pression atteinte, l'on injecte le combustible liquide atomisé lequel s'allume en entrant dans la masse d'air comprimé et réchauffé par le fait de la compres- sion rapide qu'il a subie.
On a aussi la phase motrice.
A est le cylindre du moteur fonctionant suivant le oy- ole de Diesel et auquel est appliquée la présente invention,
B est le piston, 0 la bielle D l'arbre moteur, E et F les engrenages de la distribution G, H e I sont les éxoentri-
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ques sur l'arbre de la distribution pour la commande des soupa- pes d'aspiration L et d'échappement M, et de la pompe N pour l'injection du combustible dans le oylindre effectuée au moyen du pulvérisateur O. Les organes susdits sont les organes nor- maux des moteurs de ce type. Pour appliquer la présente inven- tion il faut transformer les autres organes du moteur et en ajouter de nouveaux.
Ainsi, la couche d'eau circulant normale- ment autour du cylindre moteur est réduite d'épaisseur, comme indiqué en a dans le dessin, et la paroi extérieure b de la ohemise est d'une épaisseur-et de dimensions telles qu'elle peut résister à de hautes pressions; de plus, elle est oouver- te d'une couche o d'une matière isolante par rapport à la oha- leur, de façon à réduire au minimum les pertes de chaleur par irradiation de la surface extérieure de la chemise d'eau* Le tube d'échappement d du moteur est concentrique à un autre tube! d'un diamètre plus grand, de façon à ce qu'entre le diamètre extérieur du tube d et le diamètre intérieur du tube e, il reste un espace annulaire dans lequel circule l'eau,
cet espace étant en communication aveo la chemise d'eau autour du cylindre. Le tube e est revêtu de matière réfractaire à la chaleur, de façon à réduire au minimum la dispersion par irra- diation;
Dans le cas d'injeotion de vapeur la première longueur f du tube d'échappement, oelle plus proohe de la soupape M sert à surchauffer la vapeur générée dans la chemise du oylin- dre, et de ce point part le tube g de prise de la vapeur qui va à la soupape h commandée par l'excentrique i qui règle l'ins tant et la durée de l'introduction de la vapeur dans le cylin- dre moteur A.
Dans le cas d'injeotion d'eau, au contraire, cette longueur du tube d'échappement sert aussi au chauffage de l'eau ou la ohemise autour du cylindre peut être suffisante ou bien il y a oiroulation, uniquement dans la tête du oylindre, en abolissant ainsi la circulation autour du tube d'échappement
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et en supprimant la chemise d'eau autour du cylindre. Le tube g et la soupape h servent pour l'introduction de l'eau à l'ins- tant et pour la durée déterminés par l'excentrique de commander
Les gaz d'échappement au lieu de passer dans le pot d'échappement sont transportés à travers un radiateur- conden- seur 1.
La vapeur d'eau contenue dans ces gaz condensateurs est recueillie au point le plus bas du condensateur en!, et après avoir traversé l'épurateur n l'eau est aspirée par la pompe .. d'échappement d'alimentation e et injectée à l'extrémité du tube/pu elle se chauffe et se vaporise de nouveau,, - cela dans le cas d'injec- tion de vapeur,- où elle reste à l'état d'eau si lion injecte de l'eau.
Le tube p qui, de la pompe d'alimentation conduit l'eau à l'extrémité la plus basse de la chemise d'eau autour du tube d'éohappement, est enroulé sur ce tube au-delà de la re chemise d'eau, et/couvert d'une oouohe réfraotaire à la ohaleur De cette façon l'eau d'alimentation se chauffe avant d'entrer dans la chemise d'eau. Le tube p ainsi disposé fonctionne oom- me économisateur. Dans le cas d'injeotion d'eau dans le oylin dre, ce dispositif peut être supprimé.
Le but de l'invention ci-dessus décrite est évident. En. effet, dans le cas d'introduction de vapeur, après la mise en marche du moteur suivant son fonctionnement'normal, en lais- sant olose la soupape h au moyen de la commande q qui déplace l'excentrique 1;l'on obtiendra que les parois du cylindre et du tube d'échappement chauffent,, en la vaporisant, en très peu de temps la mince couche d'eau disposée autour d'elle jusqu'à arriver à une pression élevée de 20 à 40 kg.par centimètre car- ré. La vapeur générée se recueille dans la longueur! du tube d'échappement, ou dans la tête du cylindre où elle se réohauffe à une très haute température de 300 à 900 C.
Après être arri- vée à la pression et à la température de régime de la vapeur, la commande q se déplace$ et partant aussi l'excentrique 1 qui @ fait agir la soupape h. De cette façon la vapeur fortement sur-
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chauffée entre sans pression élevée dans le oylindre moteur dans un moment donné à la phase d'expansion du mélange d'air et de carburant enflammé, et plus précisément à l'instant dans lequel la température et'la pression se trouvent dans un rap- port déterminé par rapport à celle de la vapeur.
La vapeur ; a- près être entrée dans le cylindre dans de telles conditions, absorbe la chaleur du mélange enflammé en augmentant la pres- sion et le volume, et agit en outte sur le piston de façon à produire du travail par son expansion,, L'introduction de la vapeur dans le oylindre oesse à un moment donné de la course d'expansion du piston pour permettre à la vapeur même, ensem- ble aveo le mélange d'air et de carburant, de s'épandre, en utilisant le travail ainsi produit.
Dans le cas d'injection d'eau le prooédé est analogue, c.é.d. dès que l'eau est arrivée à la température prédéterminée nécessaire, par absorption de chaleur transmise à travers les parois du oylindre et du tube d'échappement, la commande q se déplace, et par conséquent aus- si l'excentrique i qui fait agir la soupape h. De cette façon l'eau entre dans le cylindre moteur, absorbe la ohaleur du mé- lange de carburant enflammé, se transforme en vapeur surchauf- fée, augmente la pression et le volume de la masse de fluide et agit sur le piston en produisant du travail par son expan- sion.
La diminution de température du mélange de carburant en- flammé par l'absorption de ohaleur de l'eau qui est transfor- mée en vapeur, se maintient dans la phase d'expansion et pro- duit un abaissement notable de la température de la masse flui- de à l'échappement., aveo un avantage évident de rendement, vu que la chaleur absorbée a été trnasformée en travail. La ôha- leur résiduelle à l'échappement peut, si on le désire,être encore utilisée en partie pour chauffer l'eau avec les dispo- sitife oi-dessus décrite, et elle peut alors être injectée dans le cylindre. Si la souape d'échaprement m s'ouvre, la va- peur et les gaz brûlés passent au radiateur-condenseur.
Dans celui-ci en dehors de la vapeur admise et produite
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direotement par l'eau, se trouve aussi condensée la vapeur d' eau qui résulte de la combinaison chimique de l'oxygène de l'air aspiré par le moteur avec l'hydrogène du carburant. L'eau de condensation est recueillie en m au fend du radiateur-oon- denseur, pour être utilisée.
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"Internal combustion engine using waste heat through the cylinder walls and to the exhaust."
The object of the invention is a device applied to internal combustion engines operating on liquid and aerofuel fuels, a device which, without changing the normal operating phases of the engine, adorns a new operating ring which allows the use. some of the heat, which now is lost in the exhaust gases and through the walls of the engine cylinder (s).
It is known that in the best combustion engines
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internally it is only about one third of the heat generated by the combustion of the fuel which is used at work and gives the normal power of the engine, while, of the other two thirds one eighth is absorbed by the mechanical friction of the engine. motor and the other seven eighths, o. to.d; about three fifths of the total heat is lost in the exhaust gases and, on cooling, through the walls of the cylinder.
This heat can be used for the transformation of water into superheated steam at high pressure and temperature, and admitted to one or more engine cylinders during the Ignition and expansion phase of the air mixture. and fuel.
The steam thus introduced into the cylinders not only acts by expansion as in a normal steam engine, but, in view of its high temperature and that which it receives after its introduction into the cylinder, as well as the considerable quantity of oxygen. - xygen contained therein and combined with hydrogen, it facilitates and completes the combustion of fuel.
Instead of introducing superheated steam, it is also possible to inject cold water or water brought to a more or less high temperature by the heat of the exhaust gases and of the heat radiated by the walls of the cylinder so as to that the water injected into the cylinder at a predetermined time of the expansion phase of the inflamed mixture of air and oarbu ..
rant absorbs from it a predetermined amount of heat and instantly and successively transforms water into going ,, - wet fear, and then dry, and at the end superheated, and also into gas at high pressure and at also high temperature but lower than the normal temperature that one would have at that moment and suoessively in the oylinder if this one only worked after fuel combustion, o.â.d. that with the injection of water and its transformation into vapor, the volume is increased, and consequently the pressure of the fluid acting in the motor phase, and the temperature is reduced.
This decrease in temperature
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ture is maintained, and therefore the fluid at the instant of opening the exhaust valve is at a temperature. rature much lower than the normal temperature of single-fuel combustion operation, which provides a clear and known advantage from the point of view of engine efficiency. In addition, the residual heat of the exhaust gases is used, as will be seen below for the heating of the water to be injected into the cylinder $ and is only partially lost.
In this way, by injecting superheated steam, or by injecting hot water which transforms instantly, superheated steam is obtained, the engine power is increased for two reasons: I) by direct action steam on the piston and 20) by the indirect action on the oom. busting of the mixture; i.e. by chemical aotion.
The device according to the invention based on the technical principle stated above can be applied industrially to all types of internal combustion engines, either two or four stroke, or with suction of a mixture of air and fuel. atomized, or air and gas fuel.
As the application of the invention to the various types of engines indicated above is analogous, it will be described by way of example for the application to engines operating on the diesel cycle. As we know, these engines suck and compress air! ' to 25 and up to 30 kg. per square meter of pressure. Once this pressure is reached, the atomized liquid fuel is injected, which ignites when entering the mass of compressed air and heated by the fact of the rapid compression which it has undergone.
We also have the motor phase.
A is the cylinder of the engine operating according to the Diesel oyole and to which the present invention is applied,
B is the piston, 0 the connecting rod D the motor shaft, E and F the gears of the distribution G, H e I are the exoentri-
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on the distribution shaft for controlling the suction L and exhaust M valves, and the pump N for injecting fuel into the oylinder by means of the sprayer O. The aforementioned components are the normal parts of engines of this type. In order to apply the present invention it is necessary to transform the other parts of the engine and add new ones.
Thus, the layer of water normally circulating around the engine cylinder is reduced in thickness, as indicated in a in the drawing, and the outer wall b of the jacket is of such thickness and dimensions that it is can withstand high pressures; in addition, it is open with a layer of a heat-insulating material, so as to minimize heat loss by irradiation of the outer surface of the water jacket. exhaust pipe d of the engine is concentric with another pipe! of a larger diameter, so that between the outside diameter of the tube d and the inside diameter of the tube e, there remains an annular space in which the water circulates,
this space being in communication with the water jacket around the cylinder. The tube e is coated with heat refractory material so as to minimize radiation scattering;
In the case of steam injection, the first length f of the exhaust tube, which is closest to the valve M serves to superheat the steam generated in the oylin- dre jacket, and from this point leaves the tube g for taking the steam which goes to the valve h controlled by the eccentric i which regulates the instant and the duration of the introduction of the steam into the engine cylinder A.
In the case of water injection, on the contrary, this length of the exhaust tube is also used for heating the water or the ohemise around the cylinder may be sufficient or there is ooulation, only in the head of the cylinder. , thus eliminating the circulation around the exhaust pipe
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and removing the water jacket around the cylinder. The tube g and the valve h serve for the introduction of water at the instant and for the duration determined by the eccentric to order.
Instead of passing through the exhaust, the exhaust gases are transported through a radiator-condenser 1.
The water vapor contained in these condensing gases is collected at the lowest point of the condenser in !, and after passing through the scrubber n the water is sucked by the feed exhaust pump e and injected at the end of the tube / pu it heats up and vaporizes again, - this in the case of the injection of steam, - where it remains in the state of water if water is injected.
The tube p, which from the feed pump leads the water to the lower end of the water jacket around the exhaust tube, is wound on this tube beyond the water jacket. , and / covered with an oouohe refraotaire to the heat. In this way the feed water is heated before entering the water jacket. The tube p thus arranged functions as an economizer. In the case of water injection into the oylin dre, this device can be omitted.
The aim of the invention described above is obvious. In. effect, in the case of introduction of steam, after starting the engine according to its normal operation, leaving the valve h by means of the control q which moves the eccentric 1; we will obtain that the walls of the cylinder and of the exhaust tube heat up, vaporizing it, in a very short time the thin layer of water placed around it until reaching a high pressure of 20 to 40 kg. per centimeter because - d. The generated vapor collects in the length! exhaust pipe, or in the cylinder head where it reheats to a very high temperature of 300 to 900 C.
After reaching the working pressure and temperature of the steam, the control q moves $ and hence also the eccentric 1 which @ activates the valve h. In this way the steam strongly over-
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heated enters without high pressure in the engine cylinder at a given moment in the expansion phase of the ignited air and fuel mixture, and more precisely at the moment in which the temperature and the pressure are in a ratio port determined in relation to that of steam.
Steam ; After entering the cylinder under such conditions, absorbs the heat from the ignited mixture increasing the pressure and the volume, and acts on the piston so as to produce work by its expansion. of steam in the cylinder oesse at some point in the expansion stroke of the piston to allow the steam itself, together with the mixture of air and fuel, to expand, using the work thus produced .
In the case of water injection, the procedure is analogous, i.e. as soon as the water has reached the predetermined temperature necessary, by absorption of heat transmitted through the walls of the cylinder and the exhaust tube, the control q moves, and consequently also if the eccentric i which activates the valve h. In this way the water enters the engine cylinder, absorbs the heat of the ignited fuel mixture, turns into superheated vapor, increases the pressure and the volume of the mass of fluid and acts on the piston producing gas. work by its expansion.
The decrease in temperature of the ignited fuel mixture by the absorption of heat from the water which is transformed into vapor, is maintained in the expansion phase and produces a noticeable lowering of the temperature of the mass. Exhaust fluid., has a clear advantage in efficiency, since the heat absorbed has been transformed during work. The residual exhaust gas can, if desired, still be used in part to heat the water with the devices described above, and it can then be injected into the cylinder. If the exhaust valve m opens, the steam and the burnt gases pass to the radiator-condenser.
In it apart from the admitted and produced steam
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In other words, by water, the water vapor which results from the chemical combination of the oxygen in the air drawn in by the engine with the hydrogen in the fuel is also condensed. The condensed water is collected in m at the split of the radiator-oondenser, to be used.