CA3189414A1

CA3189414A1 - Utilisation d'un fluide comme un piston virtuel de compression secondaire pour un moteur a combustion interne

Info

Publication number: CA3189414A1
Application number: CA3189414A
Authority: CA
Inventors: Abdelhakim LIMANE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2023-02-02
Also published as: WO2023004487A1

Abstract

L'invention concerne un système de compression secondaire pour un moteur à combustion interne, utilisant un fluide comme un deuxième piston virtuel de compression rapide à course variable. Ce système permet au moteur de se comporter comme un moteur à taux de compression variable. Il consiste en une extension au niveau du volume mort du moteur, sous forme d'un conduit relativement long et étroit dans la culasse du moteur, servant d'alésage au piston virtuel et débouchant sur une valve. Ce système vise à ajouter une deuxième compression du mélange air/carburant, lorsque le piston se trouve près du point mort haut, en introduisant un fluide sous haute pression via une valve pilotée par le calculateur. Cette introduction se manifeste comme un jet de fluide dans un conduit relativement long et étroit sans se mélanger avec le mélange air/carburant. Permettant ainsi, de réguler la pression au moment de la combustion suivant la charge et d'augmenter la quantité de matière dans le cylindre tout en gardant des proportions proches de la st?chiométrie de combustion.

Description

Description Titre de l'invention : Utilisation d'un fluide comme un piston virtuel de compression secondaire pour un moteur à combustion interne.
[0001] La présente invention concerne un système d'amélioration de l'efficacité énergétique des moteurs à combustion interne et de réduction des émissions polluantes qui s'applique sur tous les types de moteurs à combustion interne que ce soit à
allumage commandé, HCCI (Homogcncous Charge Compression Ignition) ou Diesel. En utilisant un fluide comme un deuxième piston de compression.

[0002] Ces dernières années plusieurs innovations ont été réalisées pour améliorer l'efficacité énergétique et réduire les émissions polluantes des moteurs à
combustion interne. Parmi celles-ci: le Downsizing avec la suralimentation en air par un turbocom-presseur, l'adoption de l'injection directe qui permet de refroidir l'air admis et par laquelle on génère un mélange stratifié à faible charge et la recirculation des gaz brulés EGR (Exhaust Gas Recirculation) afin de contrôler le taux d'oxygène à faible charge.
Seulement, il est à noter que d'une part, ces solutions n'arrivent pas à
répondre aux exigences des normes environnementales de façon satisfaisante et d'autre part, on a dû
privilégier le fonctionnement en bas régime et faible charge au dépend de celui à haut régime et pleine charge, en plus du problème de manque de fiabilité qui en résulte.

[0003] A cet effet, parmi les innovations souhaitées, les moteurs à
taux de compression variables qui s'adaptent suivant la charge. Toutefois, la plupart des percés accomplies sont totalement mécaniques dont les conséquences liés aux pièces en mouvement ne sont pas négligeables: comme l'augmentation du poids, de la friction, de la taille, et du nombre de pièces en mouvement et ainsi que la position haute du centre de gravité. Par ailleurs, on dénombre beaucoup de travaux qui s'intéressent grandement à la mise au point d'un moteur de type HCCI dont la principale contrainte à relever est de pouvoir maitriser le moment où la détonation s'enclenche indépendamment de la charge.

[0004] La présente invention apporte une modification au niveau du volume mort du moteur à combustion interne avec l'ajout d'une extension sous forme d'un conduit relativement long à petite section dans la culasse (2) du moteur qui débouche sur une valve (3) pilotée par le calculateur. Le fonctionnement du moteur restera globalement le même et inchangé.

[0005] En effet, une fois que le piston (1) a fait l'essentiel de la compression, le mélange air/
carburant (ou de l'air uniquement pour les moteurs Diesel) se retrouve essentiellement confiné dans le volume mort (4 et 5). En ce moment, la deuxième compression se produit par l'introduction d'un fluide via la valve (3). Cette valve peut être assimilée à
une micro-soupape ou un injecteur commandée par le calculateur. Ce fluide va chasser le mélange air/carburant de la partie exigu ressemblant à un conduit long et étroit du volume mort (5), pour le concentrer presque totalement au niveau de la partie in-férieure du volume mort (4), jusqu'à atteindre la pression ou la température convoitées indépendamment dc la charge du moteur.

[0006] A partir du moment que, le contact entre le fluide introduit et le mélange air/
carburant s'effectue dans un endroit à section relativement très petite et très peu di-vergente dans le sens de l'écoulement (5), l'échelle des structures tourbillonnaires est conditionnée par la section du conduit et ainsi, le mélange du fluide avec le mélange air/carburant est extrêmement limité voir même impossible. De plus, les gaz brulés du cycle précédent coincés dans le conduit du volume mort (5) après l'échappement joue le rôle d'isolant entre le mélange air/carburant et le fluide de compression.
Compte tenu de ces faits,

[0007] = Le fluide aura comme effet celui d'un piston rapide dont la course est variable et dépend de la quantité du fluide introduit autrement dit, dépend du temps d'ouverture de la micro-soupape (3). Par conséquent, le moteur se comporte comme un moteur à taux de compression variable suivant la charge.
= L'échauffement par compression du mélange air/carburant par introduction du fluide s'effectue même si le fluide introduit est relativement froid.

[0008] La présente invention permet également de contrôler le moment d'auto-inflammation pour le moteur type HCCI et d'atteindre les conditions d'auto-inflammation à
des pro-portions moins pauvres et plus proches de la stoechiométrie, indépendamment de la charge que ce soit pour les moteurs Diesel ou HCCI. D'autre part, elle augmente à la fois la quantité de matière dans le cylindre tout en étant à des proportions proches de la stoechiométrie (air + carburant + fluide de compression) et la taille du volume mort par rapport à la cylindrée (le rajout du conduit (5)). Par conséquent, elle diminue le taux de compression (rapport volumétrique) du moteur sans diminuer le rapport de pression.
Du coup, au moment de la combustion , le pic de température ne sera pas aussi élevé
que si le taux de compression était plus élevé et la quantité de matière moindre. Par conséquent, les rejets nocifs tels que, les oxydes d'azote NO,, et le monoxyde de carbone CO seront très réduits.

[0009] Par ailleurs, la présente invention permet de faire fonctionner les moteurs de type à
allumage commandé ou HCCI avec un cycle proche de celui de Sabathe sans apport de chaleur supplémentaire en détente. En effet, lors de la détente, le fluide introduit qui est extrêmement dense, au fur et à mesure qu'il se mélange avec les gaz brûlés, va absorber l'énergie thermique de combustion. Ainsi, le niveau de pression sera maintenu élevé plus longtemps tout en diminuant la température des gaz et ce, malgré
que le volume total des gaz augmente. Ce qui augmentera le couple et améliorera le rendement énergétique du moteur.

[0010] La partie inférieure du volume mort on lui attribuera le nom de chambre de combustion (4) car c'est ici que se trouve essentiellement le mélange air/carburant au moment de la combustion. Quant à la partie exigu du volume mort qui ressemble à un conduit (5), on lui attribuera le nom dc chambre de compression, et dans laquelle il n y pas de combustion à cause de l'absence de carburant, particulièrement dans la partie près de la micro-soupape (3) d'introduction du fluide de compression. Par contre, pour la partie inférieure adjacente à la chambre de combustion, elle peut être le pro-longement de la chambre de combustion suivant les différents paramètres, tels que la charge, les températures et les pressions du mélange air/carburant et du fluide de com-pression. La chambre de compression peut être munie d'ailettes afin d'avoir l'écoulement le moins turbulent possible, pour limiter au maximum le mélange entre le fluide de compression et le mélange air/carburant.

[0011] C'est le calculateur qui gère le moment d'introduction du fluide de compression dans la chambre de compression (5) du volume mort, suivant les différents paramètres dont il dispose comme la pression du fluide de compression.
roo121 = Si le moteur est de type Diesel, la pression du fluide peut être inférieure au pic de pression de combustion car la micro-soupape (3) d'introduction du fluide de compression peut être fermée au moment de l'injection du carburant dans le cylindre.
= Si le moteur est de type à allumage commandé par bougie, la pression du fluide de compression peut être inférieure au pic de pression de combustion car la micro-soupape (3) d'introduction du fluide de compression peut être fermée au moment où la bougie enclenche la combustion.
= Si le moteur est de type HCCI, deux cas se présentent:
I00131 a. Si la pression du fluide de compression est supérieure au pic de pression de combustion, la micro-soupape (3) d'introduction du fluide de compression peut être en position ouverte au moment où, la combustion s'enclenche. Par conséquent, l'introduction du fluide pourra être retardée jusqu'à ce que, même si le piston (1) dépasse le point mort haut et entame la course de détente.
b. Si la pression du fluide de compression est inférieure au pic de pression de combustion, la micro-soupape (3) d'introduction du fluide doit être fermée au moment de la combustion. Par conséquent, l'introduction du fluide doit être avancée et l'enclenchement de la combustion sera provoquée par la com-pression du piston (1) lorsqu'il atteindra le point mort haut.
[00141 Plusieurs fluides peuvent être utilisés tels que les gaz d'échappement, l'air ambiant, l'azote liquide et l'eau. Ces fluides serviront à récupérer une partie d'énergie thermique des gaz brulés échappés du moteur avant leur introduction dans la chambre de com-pression du moteur (5) pour atteindre des températures relativement froides par rapport à celles de la combustion mais assez chaudes pour ne pas empêcher la combustion dans les bonnes conditions. Pour cela, on prévoit un chauffage électrique d'ajustement de la température notamment lors des phases de démarrage à froid en amant de la soupape d'introduction du fluide (3). Les étapes essentielles que le fluide de compression suit avant de l'introduire dans la chambre de compression du moteur à combustion interne sont comme suit:
[0015] 1. Prise de fluide de compression à basse pression.
2. Génération de la haute pression du fluide par au moins un compresseur ou une pompe.
3. Accumulation du fluide de compression à haute pression dans une rampe.
4. Chauffage du fluide à haute pression par les gaz d'échappement du moteur.
5. Chauffage électrique si il y a une insuffisance de chaleur.
6. Introduction du fluide dans la chambre de compression du moteur.
[0016] Dans le cas où le fluide de compression est en état :
[0017] = liquide avant chauffage (l'eau ou l'azote liquide), la haute pression est générée à l'aide d'une pompe haute pression.
= gaz avant chauffage (gaz d'échappement ou l'air ambiant), la haute pression est générée à l'aide d'au moins un compresseur haute pression, bien refroidi pour limiter le travail dépensé à la compression.
[0018] Une rampe de stockage du fluide de compression sous haute pression est aussi indis-pensable. Par ailleurs, du fait de disposer de fluide sous haute pression dans des ré-servoirs, permet de l'utiliser pour faire actionner la micro-soupape (3) qui est déjà très légère et petite avec une grande précision. D'autre part, cette micro-soupape (3) est là
pour assurer une perte de charge de l'écoulement du fluide et ainsi, limiter au maximum les fuites lorsque elle est fermée. Alors que, l'étanchéité est assurée par des clapets qui s'actionnent dès que le moteur est en arrêt afin de préserver la pression du fluide dans la rampe.
[0019] Dans le cas où le fluide est en état gazeux à faible pression (pression atmosphérique) tel que l'air ou les gaz brulés, la haute pression est générée par des compresseurs auxiliaires séparés du moteur. Le fait de faire la compression par des compresseurs auxiliaires séparés du moteur, procure les avantages suivants:
[0020] = Pouvoir récupérer une partie de l'énergie cinétique du véhicule sous forme de gaz comprimé en utilisant le compresseur comme frein.
= Pouvoir faire fonctionner le moteur comme un moteur pneumatique sans consommation de carburant à des brefs moments lorsqu'on dispose d'excès de gaz comprimé.
= Pouvoir refroidir le moteur par le gaz comprimé de l'intérieur en le faisant fonctionner comme un moteur pneumatique.

[0021] Dans le cas où le fluide est fair, malgré que fair contient 20% d'oxygène, ceci ne pose pas de problème d'excès d'oxygène pour la réaction de combustion ou pour la production de NO,. Car cet air est isolé dans la chambre de compression du volume mort (5) lors de la combustion. D'autre part, il est relativement froid. De plus, l'air qui sert de comburant parfaitement mélangé avec le carburant se trouve confiné
essen-tiellement dans la chambre de combustion du volume mort (4) à des proportions et des conditions bien équilibrées de stoechiométrie et de combustion.
[0022] Dans le cas où le fluide de compression est le di-azote (N2), l'air ou le gaz brulé
d'échappement: le fluide est en état supercritique que ce soit en amont de la micro-soupape (3) dans le circuit de génération de la haute pression ou en aval, après l'introduction du fluide où il subit une détente.
[0023] Dans le cas où le fluide de compression est l'eau. ( l'eau est plus pratique sur les grandes installations dont la température des gaz d'échappement est assez élevée et stable). deux cas se présentent:
[0024] = Le cas où l'eau se trouve en état liquide ou supercritique en amont de la valve d'introduction de l'eau (3), la pression doit être supérieure à 221.20 bar où
l'échangeur de récupération d'énergie thermique des gaz d'échappement est un simple échangeur sans changement de phase et la valve d'introduction de l'eau dans la chambre de compression du volume mort est assimilée à un injecteur.
En aval de la valve d'introduction de l'eau (3), une fois ce fluide a été
introduit et après avoir subi une détente, il devient un mélange de vapeur et de liquide.
= Le cas où l'eau se trouve en état vapeur surchauffée en amont de la valve d'introduction de l'eau (3), la pression doit être inférieure à 221.20 bar.
L'échangeur sera assimilé à une chaudière avec séparation de phase liquide et vapeur, quant à la valve (3), elle sera assimilée à une micro-soupape.
[0025] Enfin, une partie importante de l'énergie dépensée pour la deuxième compression proviendra de l'énergie thermique récupérée des gaz d'échappement, en particulier quand le fluide est l'azote liquide. Ce-qui contribuera à l'amélioration du rendement énergétique du moteur ainsi qu'à la diminution du dioxyde de carbone CO2 produit.
[0026] En résumé, la présente invention améliore l'efficacité
énergétique globale du moteur et limite les émissions polluantes produites sans modifier la structure générale et le fonctionnement du moteur à combustion interne et ce, grâce aux caractéristiques suivantes:
[0027] = Extraire un surplus d'énergie thermique de combustion pour le convertir en travail mécanique.
= Générer les conditions de pression et de température plus optimales de combustion pour les moteurs à combustion interne de tout type, indé-pendamment de la charge.

= Récupérer une partie de l'énergie thermique des gaz d'échappement.
= Récupérer une partie de l'énergie cinétique lors du freinage.
= Economiser une partie du travail nécessaire à la compression.
= Diminuer le pic maximal de température de combustion.
= Amorcer la combustion par compression pour les moteurs HCCI.
= Contrôler le moment dc l'auto-inflammation pour les moteurs HCCI.
= Faire fonctionner les moteurs Diesel et HCCI à des proportions moins pauvres et proches de la stoechiométrie.
Explication des dessins [0028] La [Fig.1] représente une coupe d'un moteur à quatre temps auquel on lui a ajouté le conduit du volume mort dans la culasse (2) et la valve d'introduction du fluide de com-pression (3) et (1) est le piston.
[0029] La [Fig.2] représente une coupe du volume mort du moteur avec la chambre de combustion (4) et la chambre de compression (5).
[0030] La [Fig.3] représente la forme du volume mort du moteur en trois dimensions avec la chambre de combustion (4) et la chambre de compression (5).

Claims

Revendications [Revendication 11 [ajoutée] Un système pour les moteurs à
combustion interne, dont le procédé est d'introduire dans le volume mort un fluide dit fluide de com-pression, tout en assurant un mélange hétérogène au moment de l'amorçage de la combustion où, on distingue la partie du volume mort contenant essentiellement ledit fluide de compression introduit et celle du volume mort contenant essentiellement l'air ou le mélange air/
carburant.
[Revendication 21 [ajoutée] Selon la revendication 1, ledit système est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre dite chambre de compression, et au moins une valve à l'extrémité de ladite chambre de compression dite valve de la chambre de compression. Ladite valve de la chambre de compression fait introduire dans ladite chambre de compression ledit fluide de compression: à des quantités prédéfinies suivant la charge et le régime moteur, et à une température relativement froide par rapport à la température des gaz brûlés produits par la combustion. Ladite chambre de compression est sous forme de conduit faisant partie du volume mort et communiquant avec la chambre de combustion. Ladite chambre de compression a une surface de section relativement petite ou peut être équipée d'ailettes pour limiter le mélange avant l'amorçage de la combustion, entre ledit fluide de compression et fair ou le mélange air/
carburant.
[Revendication 31 [ajoutée] Selon la revendication 1, un système de génération de la pression et de la température dudit fluide de compression est caractérisé
en ce qu'il peut inclure.
-Un compresseur ou plus, dans le cas où ledit fluide de compression est de type à être en état gazeux avant de le mettre sous haute pression.
- Une pompe ou plus dans le cas où ledit fluide de compression est de type à être en état liquide avant de le mettre sous haute pression.
-Un échangeur thermique ou plus chauffant ledit fluide de compression, en récupérant l'énergie thermique produite par le moteur à combustion interne ou de ses accessoires, comme la chaleur des gaz d'échappement.
-Un échangeur thermique ou plus refroidissant ledit fluide de com-pression.
-Un chauffage électrique ou plus.
-Un réservoir ou plus dudit fluide de compression, étanche et résistant à
la pression et à la température dudit fluide de compression.