EP1290326A1 - Moteur a combustion interne sans refroidissement exterieur - Google Patents

Moteur a combustion interne sans refroidissement exterieur

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EP1290326A1
EP1290326A1 EP01945422A EP01945422A EP1290326A1 EP 1290326 A1 EP1290326 A1 EP 1290326A1 EP 01945422 A EP01945422 A EP 01945422A EP 01945422 A EP01945422 A EP 01945422A EP 1290326 A1 EP1290326 A1 EP 1290326A1
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EP
European Patent Office
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air
engine
combustion
internal combustion
combustion engine
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EP01945422A
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German (de)
English (en)
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EP1290326B1 (fr
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Bernard Golibrodski
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP1290326A1 publication Critical patent/EP1290326A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1290326B1 publication Critical patent/EP1290326B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/06—Engines with prolonged expansion in compound cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G3/00—Combustion-product positive-displacement engine plants
    • F02G3/02—Combustion-product positive-displacement engine plants with reciprocating-piston engines

Definitions

  • the present invention lies in the technical field of internal combustion engines, in particular internal combustion engines with piston and engine pistons, with fuel injection, which can be fitted to vehicles, or can also be used as stationary engines.
  • the present invention aims to greatly reduce this energy loss due to cooling, so as to significantly improve the energy efficiency of internal combustion engines.
  • the invention essentially relates to an internal combustion engine, which does not have a specific external cooling system, and which is provided with means for introducing, into one or more mixing chambers associated with one or more engine cylinders, of an additional quantity of compressed air, for cooling, such that the engine receives a total quantity of air greater than that required for the combustion / explosion of the fuel, the additional air being added, in the mixing chamber, with the combustion gases leaving the combustion chamber, as soon as the engine piston leaves its top dead center.
  • the invention is based on the principle of non-cooling of the engine by a traditional external cold source, but of a transfer of the enthalpy corresponding to an amount of air additional to that of combustion, the engine receiving a quantity of total air greater than that required for combustion only. The extra air is mixed with the gases leaving the combustion chamber in the "mixing chamber".
  • the quantity of air added in accordance with the invention, is such that its increase in enthalpy at the end of mixing with the gases leaving the combustion chamber is equivalent to that released by cooling, in the case of engines equivalent internal combustion engines, with external cooling system. Volume total of the "gas + additional air" mixture therefore stores all of the fuel combustion enthalpy before engine relaxation.
  • the additional quantity of air thus plays the role of "cooling" but, unlike traditional internal combustion engines, the corresponding enthalpy remains within the gas-air mixture, instead of being discharged out of the engine. . It will therefore provide work during motor relaxation. This enthalpy stored by the additional air is, therefore, an additional energy available for the engine relaxation, in comparison with that of the combustion gases, in comparison with the current internal combustion engines.
  • the additional air fraction can be of the order of 40 to 70%, relative to the quantity only necessary for the combustion / explosion of the fuel, this latter quantity being strictly unchanged compared to that of current engines.
  • the energy efficiency obtained for the engine which is the subject of the invention can reach 37% or more.
  • the invention For the supply of combustion / explosion air, and of the quantity of additional air, under pressure, the invention provides various possibilities.
  • the engine has at least one air compression cylinder, with a piston linked to the same crankshaft as the pistons of the cylinders used for the driving detent, or "engine cylinders", this first possibility being particularly suitable for engines mounted on vehicles.
  • engine cylinders Preferably, provision is made in this case for two air compression cylinders, mounted in series (two-stage compression) for energy saving.
  • Turbines of suitable construction, or compressors can also be used to supply combustion / explosion air and the additional quantity of compressed air, in particular in the case of stationary engines. If several motors according to the invention are used in a static position, in a factory for example, compressed air can be supplied to all of these motors from a common group (turbine or compressor), sending the air to all engines, which is naturally an economical solution.
  • a buffer bottle is inserted between the means for supplying compressed air for combustion / explosion and the quantity of additional air, as envisaged above, and the point or points of introduction of this compressed air into the combustion / explosion chamber (s) and the corresponding mixing chamber (s).
  • the or each mixing chamber is delimited at the top by the cylinder head, laterally by the wall of the engine cylinder itself, and at the bottom by the head of the piston placed in the engine cylinder.
  • the cylinder head comprises, in addition to the combustion air inlet and combustion gas outlet valves, at least one inlet with valve for the entry of additional air into said mixing chamber, and it also comprises at least an outlet valve for gases and air expanded to the atmosphere.
  • the mixing chamber is not an additional mechanical device, but it forms itself, between the cylinder head and the piston head in a precise position (depending on the amount of additional air), being removed towards bottom dead center.
  • This mixing chamber is supplied with additional air by a specific valve, connected to the source of additional compressed air, which is in particular the outlet of the buffer bottle, itself supplied by a compressor.
  • the valve for the exhaust of the relaxed "gas + air" mixture works by opening quickly at the bottom dead center of the piston.
  • a fuel supply, and possibly an ignition element, of the spark plug type are also provided in the cylinder head.
  • the engine can use usual fuels (gasoline or diesel), introduced substantially in the same way as in conventional engines and according to a similar cycle (four-stroke engine), with the advantageous characteristic of having time available. fairly long combustion / explosion, allowing the most complete combustion possible; this is an important advantage from the point of view of pollution control. Note also the uselessness of any downstream recovery system, of the "turbo" type, since the driving relaxation of the "combustion gas + additional air" mixture is total, until it leaves the atmosphere.
  • the engine which is the subject of the invention having a cooling capacity at least equal to that of conventional internal combustion engines, it is preferable to produce the cylinder head in a metallic material with a high modulus of elasticity, greater than that of alloys usually employees, and in particular in special steel, for preventive security.
  • a metallic material with a high modulus of elasticity greater than that of alloys usually employees, and in particular in special steel, for preventive security.
  • ventilation can "sweep" the outside surface of the cylinder head; a small fan of very low power is provided for this purpose.
  • Figure 1 is a general block diagram of a cylinder and piston engine, according to the present invention.
  • Figure 2 is a very schematic plan view of the cylinder head of this engine (for an engine cylinder);
  • Figure 3 is a longitudinal sectional view of this cylinder head
  • Figure 4 is a general side view of an engine with two air compression cylinders and two drive expansion cylinders, according to the invention
  • Figure 5 is a plan view from above of the motor of Figure 4;
  • Figure 6 illustrates the application of the invention to a drive expansion turbine.
  • an internal combustion engine in accordance with the present invention, in its general principle comprises a single crankshaft 2, at least one engine expansion cylinder 3 with an engine piston 4 linked to the crankshaft 2, a cylinder head in steel 5 covering the drive expansion cylinder 3, and at least one additional air compression cylinder 6 with an internal piston 7 connected to the same crankshaft 2.
  • the additional cylinder 6 is designed to compress a total quantity of air, namely the air necessary for combustion / explosion and, in addition, a certain amount of additional air used to cool the engine.
  • the air compression cylinder 6 comprises an ambient air suction 8, and a compressed air delivery 9 connected to the inlet of a buffer bottle 10 of compressed air.
  • the outlet of the buffer bottle 10 is subdivided, and connected to an entry point 11 for additional air and to an entry point 12 for combustion air, located on the cylinder head 5 which, usually, also comprises fuel injection means.
  • the cylinder head 5 internally comprises a combustion / explosion chamber 13, connected to the point combustion air inlet 12 via a combustion air inlet valve 14.
  • the combustion / explosion chamber 13 is also associated with a combustion gas outlet valve 15.
  • the fuel injection point is located at 16, in the combustion / explosion chamber 13. In the case of the use of fuel requiring spark ignition, the spark plug is located at 16 '(see Figures 2 and 3).
  • the cylinder head 5 On the side of the combustion / explosion chamber 13, the cylinder head 5 comprises an additional air inlet valve 17, mounted between the entry point 11 of additional air and a volume called “mixing chamber” 18, which is delimited as shown in Figures 1 and 3: in the upper part, by the cylinder head 5; laterally, by the internal wall of the engine cylinder 3; in the lower part, by the head of the piston 4 housed in the engine cylinder 3.
  • the cylinder head 5 also has a valve 19 for the release of gases and additional air, relaxed, outside.
  • the engine further comprises various components, such as camshaft (s) necessary for controlling the valves.
  • the introduction of additional compressed air into the mixing chamber 18 is controlled by the valve 17, and the outlet of the mixture of combustion gases and additional air is controlled by the valve 19 , while the fuel injection, and the operation of the combustion / explosion chamber 13 are, in principle, not modified compared to conventional engines (the duration of combustion being, however, significantly greater).
  • This combustion / explosion chamber 13 is supplied with compressed air, which enters through the valve 14, at a pressure and a rate defined according to the manufacturer, the power and the fuel. Said chamber 13 communicates with the driving expansion cylinder 3 through the valve 15; at the end of the combustion / explosion, the gases leave the chamber 13 through the valve 15, and begin their work in expansion with the additional air to which these combustion / explosion gases mix instantly, as soon as they exit through the valve 15
  • the additional air inlet valve 17 is opened as soon as the engine piston 4 leaves its top dead center. The introduction of additional air is continued until the recoil of the head of the piston 4 has "released", above it, a calculated volume which is that of the mixing chamber 18.
  • the end of closing of the valve 17 is also the instant of opening of the valve 15, allowing the entry of the combustion gases into the mixing chamber 18, where these gases mix with the additional air previously introduced.
  • the enthalpy of the additional air is thus made available within the combustion gases, mixed with this air, and this mixture leads to an instantaneous lowering of the temperature; the same is true of the lowering of the pressure, which is the direct consequence. It is important to note that this reduction in temperature and pressure of the combustion gases, obtained during the very short mixing with the additional air to which the corresponding enthalpy is therefore "yielded", is the same as for the combustion gases d 'a conventional internal combustion engine, when cooled by an external cold source, such as circulating water.
  • this gas-air mixture provides maximum relaxation work, the final pressure being practically zero, since it corresponds to the pressure drop between the engine cylinder 3 and the outlet to the atmosphere (this pressure drop can be close to 0.3 bar), due to the fact that it is the piston 4, leaving its bottom dead center, which will slightly compress the "gas + air" mixture to evacuate it via the valve 19.
  • crankshaft 2 in a single turn of the crankshaft 2 are carried out the four times of a conventional engine. Given that a driving cylinder 3 is actually driving on a half-turn of the crankshaft 2, it is clear that by installing a second driving cylinder on the same crankshaft (with mounting of the respective crank pins in phase opposition), the crankshaft becomes actually motor on the whole of each revolution.
  • the fuel for fuel requiring a spark, supplied by the spark plug located at point 16 ', the fuel is sprayed at the injection point 16 located, like the spark plug, in the center of the combustion chamber / explosion 13, as shown in the drawing ( Figures 2 and 3).
  • the fuel is sprayed into the combustion / explosion chamber 13 under the same conditions as for a conventional engine of this type.
  • the combustion / explosion time being significantly longer than in current engines, allows good diffusion of the combustion in the combustion / explosion chamber 13, therefore obtaining the most complete combustion possible, which represents a important point against pollution.
  • the combustion time is, in fact, between the mid-stroke of the ascent of the piston 4 towards its top dead center, and the very beginning of its descent towards the bottom dead center. In fact, this combustion must end, however, before the piston 4 of the engine cylinder 3, during its race towards bottom dead center, has released the required volume of additional air, known as the "mixing chamber" 18.
  • valves 14, 15, 17 and 19 With control of their opening and closing instants, is ensured in a manner known per se by one or two camshafts (not shown).
  • two air compression cylinders 6 are preferably provided, mounted in series for two-stage compression, above which the buffer bottle 10 can take place, and two engine cylinders 3, capped by the same cylinder head 5.
  • the respective pistons 4 and 7 of the cylinders 3 and 6 are connected to the same crankshaft 2 by a conventional connecting rod assembly, not shown.
  • compressed air Since compressed air is introduced into the bottle pad 10 before use, it must be free of oil, so that, for the pistons 7 of the air compression cylinders 6, "dry" pistons (with non-lubricated segments) are used. Since with a two-stage compression of air, the final temperature of this air may not be sufficient in particular for combustion, it remains possible to install a heater, such as a finned tube, using residual heat from exhaust gases; this heater remains a heat exchanger of small dimensions, therefore of low weight, having regard to the temperature difference between the two flows.
  • the buffer bottle 10 is insulated.
  • the buffer bottle 10 advantageously includes reheating means, which can be produced in the form of an electric heating resistor, suitable for reheating this bottle. Furthermore, for safety reasons, the outlets from the buffer cylinder 10, towards the combustion / explosion 13 and mixing chambers 18, are provided with non-return valves.
  • FIG. 6 illustrates the alternative possibility of applying the present invention to a high-efficiency drive expansion turbine 20, which by means of a reducer 21 (or speed reducer-variator) drives a machine 22 such as vehicle, industrial or other equipment.
  • the compressed air is here again supplied from at least one air compression cylinder 6, and by means of a buffer cylinder 10 the outlet of which is connected to an entry point 11 d additional air and an entry point 12 of combustion air located on a cylinder head 5 (the elements corresponding to those previously described being designated by the same reference numerals).
  • the fourth valve for the outlet of the relaxed gases and air
  • the "mixing chamber" of the gases and the additional air is materialized differently.
  • the additional air inlet valve 17 closes just when the gas outlet valve 15 from the combustion chamber 13 opens, the respective outlets of these two valves 15 and 17 being joined at the neck of the venturi 23, downstream of which the gas flow begins its work on the turbine 20, this point constituting the mixing chamber.
  • the use of the internal combustion engine, object of the invention is equivalent to that of all current internal combustion engines, the invention applying to the same power range as current engines.
  • the invention can be implemented both for the motorization of new vehicles or new installations, and for transforming already existing motors.
  • the number of engine cylinders can be increased, to be equal to four, six, eight or other number, preferably even, according to the higher or lower powers which would be desired.

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Description

Moteur à combustion interne sans refroidissement extérieur
La présente invention se situe dans le domaine technique des moteurs à combustion interne, notamment le moteurs à explosion à cylindres et pistons moteurs, avec injection de carburant, qui peuvent équiper des véhicules, ou être aussi utilisés comme des moteurs fixes.
Tous les moteurs à combustion interne sont actuellement munis d'un système de refroidissement, par circulation d'un liquide réfrigéré extérieurement ou par ventilation d'air ambiant. Ce système fait perdre une fraction de l'enthalpie de combustion complète du carburant, la perte d'énergie constatée étant d'environ 25%. Une telle perte d'énergie se traduit par un manque de disponibilité de puissance sur l'arbre moteur.
La présente invention a pour but de réduire fortement cette perte d'énergie due au refroidissement, de manière à améliorer de façon sensible le rendement énergétique des moteurs à combustion interne.
A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un moteur à combustion interne, qui est dépourvu de système de refroidissement extérieur spécifique, et qui est pourvu de moyens pour l'introduction, dans une ou des chambres de mélange associées à un ou des cylindres moteurs, d'une quantité d'air comprimé additionnelle, pour le refroidissement, telle que le moteur reçoit une quantité d'air totale supérieure à celle requise pour la combustion/explosion du carburant, le supplément d'air étant ajouté, dans la chambre de mélange, aux gaz de combustion sortant de la chambre de combustion, dès que le piston moteur quitte son point mort haut. Ainsi, l'invention repose sur le principe du non-refroidissement du moteur par une source froide extérieure traditionnelle, mais d'un transfert de l'enthalpie correspondant à une quantité d'air additionnelle à celle de la combustion, le moteur recevant une quantité d'air totale supérieure à celle requise pour la seule combustion. Le supplément d'air est mélangé aux gaz sortant de la chambre de combustion dans la "chambre de mélange".
Plus particulièrement, la quantité d'air ajoutée, conformément à l'invention, est telle que son augmentation d'enthalpie en fin de mélange avec les gaz sortant de la chambre de combustion soit équivalente à celle rejetée par refroidissement, dans le cas des moteurs à combustion interne actuels équivalents, avec système de refroidissement extérieur. Le volume total du mélange "gaz + air additionnel" emmagasine donc toute l'enthalpie de combustion du carburant avant détente motrice.
La quantité d'air additionnelle joue ainsi le rôle de "refroidissement" mais, à l'inverse des moteurs à combustion interne traditionnels, l'enthalpie correspondante reste au sein même du mélange gaz-air, au lieu d'être rejetée hors du moteur. Elle va donc fournir du travail au cours de la détente motrice. Cette enthalpie emmagasinée par l'air additionnel est, par conséquent, un supplément d'énergie disponible pour la détente motrice, par comparaison avec celle des gaz de combustion, par comparaison avec les moteurs à combustion interne actuels.
Certes, il a déjà été proposé d'introduire de l'air dans des moteurs à combustion interne, mais dans un but ou pour une fonction qui ne sont pas comparables avec l'objet de la présente invention. Dans le document GB 1519966 A, relatif à un moteur à combustion interne rotatif, de l'air est introduit pour réaliser un "balayage", en fin de détente motrice des gaz de combustion, sans participer lui-même à la détente motrice, et sans se mélanger auxdits gaz de combustion. Dans le document WO 9627737 A, de l'air est introduit directement dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, où il se mélange à de l'air comprimé, pour un fonctionnement du moteur sans carburant, donc avec un faible rendement et sans problème de refroidissement. Par ailleurs, le document FR 2416344 A indique un moteur à combustion interne dans lequel la compression et la détente sont séparées, étant réalisées dans des cylindres distincts, mais dans lequel aucun air additionnel n'est ajouté pour réaliser le refroidissement du moteur.
Dans le cadre de la présente invention, la fraction d'air additionnelle peut être de l'ordre de 40 à 70%, par rapport à la quantité seulement nécessaire à la combustion/explosion du carburant, cette dernière quantité étant strictement inchangée par rapport à celle des moteurs actuels. Le rendement énergétique, obtenu pour le moteur objet de l'invention, peut atteindre 37% ou plus.
Il en résulte, comme conséquence avantageuse, une diminution considérable de la pollution atmosphérique, pour les mêmes conditions de service que les moteurs actuels, à rendements voisins de 27%. On notera que l'enthalpie transmise à l'air additionnel est, en partie, transformée en travail lors de la détente motrice avec les gaz de combustion, et est, pour le restant de cette enthalpie reçue, dégagée sous forme thermique au sein des gaz de combustion (en parfait équilibre avec ces gaz) sortant du moteur, après détente motrice. Il n'y a donc pas d'accumulation de chaleur dans le moteur objet de l'invention, et le fonctionnement thermique global de ce moteur est très voisin de celui d'un moteur à combustion interne classique. La chambre de combustion est refroidie après chaque sortie des gaz, par l'air de la combustion suivante. Le moteur seul maintient ainsi sa propre température d'équilibre.
Pour la fourniture de l'air de combustion/explosion, et de la quantité d'air additionnel, sous pression, l'invention prévoit diverses possibilités.
Selon une forme de réalisation de l'invention, le moteur possède au moins un cylindre de compression d'air, avec un piston lié au même vilebrequin que les pistons des cylindres servant à la détente motrice, ou "cylindres moteurs", cette première possibilité étant particulièrement adaptée à des moteurs montés sur des véhicules. De préférence, l'on prévoit dans ce cas deux cylindres de compression d'air, montés en série (compression bi-étagée) pour économie d'énergie.
Ainsi, à l'inverse des moteurs à combustion interne classiques, il est prévu ici une séparation de la compression de l'air et de la détente motrice, dans deux ensembles distincts. Cependant, le vilebrequin est commun à ces deux ensembles.
Des turbines de construction adaptée, ou des compresseurs, peuvent aussi être utilisées pour fournir l'air de combustion/explosion et la quantité d'air comprimé additionnelle, en particulier dans le cas de moteurs fixes. Si plusieurs moteurs selon l'invention sont utilisés en position statique, dans une usine par exemple, l'air comprimé peut être fourni à l'ensemble de ces moteurs à partir d'un groupe (turbine ou compresseur) commun, envoyant l'air vers tous les moteurs, ce qui constitue naturellement une solution économique.
Avantageusement, une bouteille tampon est insérée entre les moyens de fourniture d'air comprimé de combustion/explosion et de la quantité d'air additionnel, tels qu'envisagés ci-dessus, et le ou les points d'introduction de cet air comprimé dans la ou les chambres de combustion/explosion et la ou les chambres de mélange correspondantes. Plus particulièrement, pour un cylindre moteur, la ou chaque chambre de mélange est délimitée en partie supérieure par la culasse, latéralement par la paroi du cylindre moteur lui-même, et en partie basse par la tête du piston placé dans le cylindre moteur. La culasse comporte, en plus des soupapes d'entrée d'air de combustion et de sortie des gaz de combustion, au moins une arrivée avec soupape pour l'entrée d'air additionnel dans ladite chambre de mélange, et elle comporte aussi au moins une soupape de sortie des gaz et de l'air détendus à l'atmosphère. Ainsi, fa chambre de mélange n'est pas un dispositif mécanique additionnel, mais elle se forme elle-même, entre la culasse et la tête du piston dans une position précise (selon la quantité d'air additionnelle), en cours d'éloignement vers le point mort bas. Cette chambre de mélange est alimentée en air additionnel par une soupape spécifique, reliée à la source d'air comprimé additionnel, qui est notamment la sortie de la bouteille tampon, elle-même alimentée par un compresseur. La soupape prévue pour l'échappement du mélange "gaz + air", détendu, fonctionne en s'ouvrant rapidement au point mort bas du piston. Dans la culasse sont aussi prévus une arrivée de carburant, et éventuellement un élément d'allumage, du genre bougie. Hormis la culasse particulière, le moteur peut utiliser des carburants habituels (essences ou diesel), introduits sensiblement de la même façon que dans les moteurs classiques et selon un cycle analogue (moteur à quatre temps), avec la particularité avantageuse de disposer de temps de combustion/explosion assez longs, permettant d'obtenir la combustion la plus complète possible ; il s'agit là d'un avantage important, du point de vue de la lutte contre la pollution. On notera aussi l'inutilité de tout système de récupération aval, du type "turbo", car la détente motrice du mélange "gaz de combustion + air additionnel" est totale, jusqu'à la sortie à l'atmosphère. Cependant, le moteur objet de l'invention ayant une capacité de refroidissement au moins égale à celle des moteurs à combustion interne classiques, il est préférable de réaliser la culasse en un matériau métallique à module d'élasticité élevé, supérieur à celui de alliages usuellement employés, et en particulier en acier spécial, ceci à titre de sécurité préventive. En période d'été, si la température ambiante est très élevée, une ventilation pourra "balayer" la surface extérieure de la culasse ; un petit ventilateur de très faible puissance est prévu à cet effet.
De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce moteur à combustion interne sans refroidissement extérieur :
Figure 1 est un schéma de principe général d'un moteur à cylindres et pistons, conforme à la présente invention ;
Figure 2 est une vue en plan très schématique de la culasse de ce moteur (pour un cylindre moteur) ;
Figure 3 est une vue en coupe longitudinale de cette culasse ; Figure 4 est une vue générale, de côté, d'un moteur à deux cylindres de compression d'air et deux cylindres de détente motrice, conforme à l'invention ; Figure 5 est une vue en plan par dessus du moteur de figure 4 ;
Figure 6 illustre l'application de l'invention à une turbine de détente motrice.
Comme le montre la figure 1 , un moteur à combustion interne, conforme à la présente invention, comprend dans son principe général un vilebrequin 2 unique, au moins un cylindre 3 de détente motrice avec un piston moteur 4 lié au vilebrequin 2, une culasse en acier 5 coiffant le cylindre 3 de détente motrice, et au moins un cylindre additionnel 6 de compression d'air avec un piston interne 7 lié au même vilebrequin 2. Le cylindre additionnel 6 est prévu pour comprimer une quantité totale d'air, à savoir l'air nécessaire à la combustion/explosion et, en supplément, une certaine quantité d'air additionnel servant à réaliser le refroidissement du moteur.
Plus particulièrement, pour assurer sa fonction, le cylindre 6 de compression d'air comporte une aspiration d'air ambiant 8, et un refoulement d'air comprimé 9 relié à l'entrée d'une bouteille tampon 10 d'air comprimé. La sortie de la bouteille tampon 10 est subdivisée, et reliée à un point d'entrée 11 d'air additionnel et à un point d'entrée 12 d'air de combustion, situés sur la culasse 5 qui, de façon habituelle, comporte aussi des moyens d'injection de carburant. En se référant aussi aux figures 2 et 3, la culasse 5 comporte intérieurement une chambre de combustion/explosion 13, reliée au point d'entrée 12 de l'air de combustion par l'intermédiaire d'une soupape 14 d'entrée d'air de combustion. A la chambre de combustion/explosion 13 est aussi associée une soupape 15 de sortie des gaz de combustion. Le point d'injection de carburant se situe en 16, dans la chambre de combustion/explosion 13. Dans le cas d'utilisation de carburant nécessitant un allumage par étincelle, la bougie est localisée en 16' (voir figures 2 et 3).
Sur le côté de la chambre de combustion/explosion 13, la culasse 5 comporte une soupape 17 d'entrée d'air additionnel, montée entre le point d'entrée 11 d'air additionnel et un volume appelé "chambre de mélange" 18, qui est délimité comme le montrent les figures 1 et 3 : en partie supérieure, par la culasse 5 ; latéralement, par la paroi interne du cylindre moteur 3 ; en partie basse, par la tête du piston 4 logé dans le cylindre moteur 3. La culasse 5 comporte encore une soupape 19 de sortie des gaz et de l'air additionnel, détendus, à l'extérieur.
Le moteur comprend encore divers organes, tels qu'arbre(s) à cames nécessaires à la commande des soupapes.
Dans le cycle de fonctionnement du moteur, l'introduction d'air comprimé additionnel dans la chambre de mélange 18 est contrôlée par la soupape 17, et la sortie du mélange des gaz de combustion et de l'air additionnel est contrôlée par la soupape 19, tandis que l'injection de carburant, et le fonctionnement de la chambre de combustion/explosion 13 ne sont, dans leur principe, pas modifiées par rapport aux moteurs classiques (la durée de la combustion étant, cependant, nettement supérieure).
Cette chambre de combustion/explosion 13 est alimentée en air comprimé, qui entre par la soupape 14, à une pression et un taux définis selon le constructeur, la puissance et le carburant. Ladite chambre 13 communique avec le cylindre 3 de détente motrice par la soupape 15 ; dès la fin de la combustion/explosion, les gaz sortent de la chambre 13 par la soupape 15, et commencent leur travail en détente avec l'air additionnel auquel ces gaz de combustion/explosion se mélangent instantanément, dès leur sortie par la soupape 15. La soupape 17 d'entrée d'air additionnel est ouverte dès que le piston moteur 4 quitte son point mort haut. L'introduction d'air additionnel est poursuivie jusqu'au moment où le recul de la tête du piston 4 a "dégagé", au-dessus d'elle, un volume calculé qui est celui de la chambre de mélange 18. En ce point précis, la quantité d'air additionnel requise est parvenue à l'intérieur de la chambre de mélange 18, et la soupape 17 termine sa fermeture. Ainsi, les gaz issus de la chambre de combustion/explosion 13 seront, dès le début de leur entrée dans le cylindre moteur 3, sur la tête du piston 4, mélangés à la quantité d'air comprimé additionnel qui vient d'être introduite dans le même cylindre 3.
La fin de fermeture de la soupape 17 est aussi l'instant d'ouverture de la soupape 15, permettant l'entrée des gaz de combustion dans la chambre de mélange 18, où ces gaz se mélangent à l'air additionnel précédemment introduit. L'enthalpie de l'air additionnel est ainsi rendue disponible au sein des gaz de combustion, mélangés à cet air, et ce mélange conduit à un abaissement instantané de la température ; il en est de même de l'abaissement de la pression, qui en est la conséquence directe. Il est important de noter que cet abaissement de température et de pression des gaz de combustion, obtenu lors du très court mélange avec l'air additionnel auquel est donc "cédée" l'enthalpie correspondante, est le même que pour les gaz de combustion d'un moteur à combustion interne classique, lors du refroidissement par une source froide extérieure, telle que de l'eau en circulation. De plus, ce mélange gaz-air fournit un travail de détente maximum, la pression finale étant pratiquement nulle, puisqu'elle correspond à la perte de charge entre le cylindre moteur 3 et la sortie à l'atmosphère (cette perte de charge pouvant être voisine de 0,3 bar), du fait que c'est le piston 4, quittant son point mort bas, qui va comprimer légèrement le mélange "gaz + air" pour l'évacuer à l'extérieur via la soupape 19.
Dans le cycle de fonctionnement, étant donné que le piston moteur 4 et le piston de compression d'air 7 sont liés au même vilebrequin 2, un tour de ce dernier entraîne, du côté du cylindre moteur 3 :
- la détente motrice pour un demi-tour,
- le refoulement des gaz moteur détendus pour le demi-tour suivant et, du côté du cylindre 6 de compression d'air : - l'aspiration d'air ambiant pour un demi-tour
- la compression de cet air pour le demi-tour suivant. Donc, en un seul tour du vilebrequin 2 s'effectuent les quatre temps d'un moteur classique. Etant donné qu'un cylindre moteur 3 est réellement moteur sur un demi-tour du vilebrequin 2, il est clair qu'en installant un deuxième cylindre moteur sur le même vilebrequin (avec montage des manetons respectifs en opposition de phase), le vilebrequin devient réellement moteur sur la totalité de chaque tour.
En ce qui concerne le carburant, pour un carburant nécessitant une étincelle, fournie par la bougie située au point 16', la pulvérisation du carburant se fait au point d'injection 16 situé, comme la bougie, au centre de la chambre de combustion/explosion 13, comme montré au dessin (figures 2 et 3). Dans le cas d'un fonctionnement de type diesel, le carburant est pulvérisé dans la chambre de combustion/explosion 13 dans les mêmes conditions que pour un moteur classique de ce type.
Du fait que, pour tous les carburants, la pulvérisation de ceux-ci est effectuée dans l'air déjà comprimé, il est nécessaire de prévoir les pompes d'injection en conséquence.
Le temps de combustion/explosion, étant nettement plus long que dans les moteurs actuels, permet une bonne diffusion de la combustion dans la chambre de combustion/explosion 13, donc l'obtention d'une combustion la plus complète possible, ce qui représente un point important contre la pollution. Le temps de combustion se situe, en effet, entre la mi- course de la remontée du piston 4 vers son point mort haut, et le tout début de sa descente vers le point mort bas. En effet, il faut que cette combustion se termine toutefois avant que le piston 4 du cylindre moteur 3, au cours de sa course vers le point mort bas, ait dégagé le volume requis d'air additionnel, dit "chambre de mélange" 18.
Enfin, le fonctionnement des divers soupapes 14, 15, 17 et 19, avec contrôle de leurs instants d'ouverture et de fermeture, est assuré de manière connue en soi par un ou deux arbres à cames (non représentés). Pour un moteur de moyenne puissance, comme illustré aux figures 4 et 5, on prévoit de préférence deux cylindres 6 de compression d'air, montés en série pour une compression bi-étagée, au-dessus desquels peut prendre place la bouteille tampon 10, et deux cylindres moteurs 3, coiffés par la même culasse 5. Les pistons respectifs 4 et 7 des cylindres 3 et 6 sont liés au même vilebrequin 2 par un embiellage classique, non représenté. Etant donné que l'air comprimé est introduit dans la bouteille tampon 10 avant utilisation, il est nécessaire qu'il soit exempt d'huile, de sorte que, pour les pistons 7 des cylindres 6 de compression d'air, l'on utilise des pistons "secs" (à segments non lubrifiés). Etant donné qu'avec une compression bi-étagée de l'air, la température finale de celui-ci peut ne pas être suffisante en particulier pour la combustion, il reste possible d'installer un réchauffeur, tel qu'un tube à ailettes, utilisant la chaleur résiduelle des gaz d'échappement ; ce réchauffeur reste un échangeur thermique de petites dimensions, donc de faible poids, eu égard à l'écart de température entre les deux flux. La bouteille tampon 10 est calorifugée. De plus, afin que l'air fourni soit à la pression et à la température requises, même après un large arrêt et quelle que soit la saison, la bouteille tampon 10 comporte avantageusement des moyens de remise en température, réalisables sous la forme d'une résistance électrique chauffante, adaptée pour le réchauffage de cette bouteille. Par ailleurs, pour des raisons de sécurité, les sorties de la bouteille tampon 10, vers les chambres de combustion/explosion 13 et de mélange 18, sont munies de clapets anti-retour.
La figure 6 illustre la possibilité alternative d'application de la présente invention à une turbine de détente motrice 20, à haut rendement, qui par l'intermédiaire d'un réducteur 21 (ou réducteur-variateur de vitesse) entraîne une machine 22 tel que véhicule, équipement industriel ou autre. L'air comprimé est, ici aussi, fourni à partir d'au moins un cylindre 6 de compression d'air, et par l'intermédiaire d'une bouteille tampon 10 dont la sortie est reliée à un point d'entrée 1 1 d'air additionnel et à un point d'entrée 12 d'air de combustion situés sur une culasse 5 (les éléments correspondant à ceux précédemment décrits étant désignés par les mêmes repères numériques). On notera que, dans cette application, la quatrième soupape (pour sortie des gaz et de l'air détendus) est supprimée.
De plus, dans cette application, la "chambre de mélange" des gaz et de l'air additionnel est matérialisée différemment. La soupape 17 d'entrée d'air additionnel se ferme juste au moment où s'ouvre la soupape 15 de sortie des gaz issus de la chambre de combustion 13, les sorties respectives de ces deux soupapes 15 et 17 étant réunies au col du venturi 23, en aval duquel le flux gazeux commence son travail sur la turbine 20, ce point constituant la chambre de mélange. L'utilisation du moteur à combustion interne, objet de l'invention, est équivalente à celle de tous les moteurs à combustion interne actuels, l'invention s'appliquant à la même gamme de puissance que les moteurs actuels. L'invention peut être mise en œuvre tant pour la motorisation des véhicules neufs ou des installations nouvelles, que pour transformer des moteurs déjà existants.
L'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention, telle que définie dans les revendications annexées, en modifiant le nombre des cylindres du moteur, le détail des soupapes ou les matériaux constitutifs ; en particulier, le nombre de cylindres de compression d'air et de cylindres moteurs peut être augmenté, pour être égal à quatre, six, huit ou autre nombre de préférence pair, selon les puissances plus ou moins élevées qui seraient désirées.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Moteur à combustion interne, notamment moteur à explosion à cylindres et pistons moteurs, avec injection de carburant, pouvant équiper un véhicule ou être utilisé comme moteur fixe, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de système de refroidissement extérieur spécifique, et est pourvu de moyens (6 à 1 1 , 17) pour l'introduction, dans une ou des chambres de mélange (18) associées à un ou des cylindres moteurs (3), d'une quantité d'air comprimé additionnelle, pour le refroidissement, telle que le moteur reçoit une quantité d'air totale supérieure à celle requise pour la combustion/explosion du carburant, le supplément d'air étant ajouté, dans la chambre de mélange (8), aux gaz de combustion sortant de la chambre de combustion (13), dès que le piston moteur (4) quitte son point mort haut. 2 - Moteur à combustion interne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la quantité d'air ajoutée est telle que son augmentation d'enthalpie en fin de mélange avec les gaz sortant de la chambre de combustion (13) soit équivalente à celle rejetée par refroidissement, dans le cas d'un moteur à combustion interne équivalent, avec système de refroidissement extérieur.
3 - Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fraction d'air d'additionnelle est de l'ordre de 40 à 70%, par rapport à la quantité seulement nécessaire à la combustion/erxplosion du carburant. 4 - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, plus particulièrement monté sur un véhicule, caractérisé en ce qu'il possède, pour la fourniture de l'air de combustion/explosion et de l'air additionnel, au moins un cylindre (6) de compression d'air, avec un piston (7) lié au même vilebrequin (2) que les pistons (4) des cylindres (3) servant à la détente motrice, ou cylindres moteurs.
5 - Moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend deux cylindres (6) de compression d'air, montés en série pour une compression bi-étagée, et deux cylindres moteurs (3), les pistons respectifs (7, 4) de ces cylindres (6, 3) étant liés au même vilebrequin (2). 6 - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, plus particulièrement moteur fixe, caractérisé en ce qu'une turbine ou un compresseur est prévu pour fournir l'air comprimé de combustion/explosion et l'air comprimé additionnel. 7 - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une bouteille tampon (10) est insérée entre les moyens (6 à 9) de fourniture d'air comprimé de combustion/explosion et d'air additionnel, et le ou les points d'introduction (11 , 12) de cet air comprimé dans la ou les chambres de combustion (13) et de mélange (18).
8 - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, pour un cylindre moteur (3), la chambre de mélange (18) est délimitée en partie supérieure par une culasse (5), latéralement par la paroi du cylindre moteur (3) lui-même, et en partie basse par la tête du piston (4) placé dans le cylindre moteur (3) considéré, la culasse (5) comportant, en plus des soupapes (12, 15) d'entrée d'air de combustion et de sortie des gaz de combustion dans la chambre de combustion/explosion (13), au moins une arrivée (1 1 ) avec soupape (17) pour l'entrée d'air additionnel dans ladite chambre de mélange (18), et au moins une soupape (19) de sortie des gaz et de l'air détendus à l'atmosphère.
9 - Moteur à combustion interne selon la revendication 8, caractérisé en ce que la culasse (5) est réalisée en un matériau métallique à module d'élasticité élevé, en particulier en acier spécial. 10 - Moteur à combustion interne selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'une ventilation est prévue pour "balayer" la surface extérieure de la culasse (5), en cas de température élevée, notamment par utilisation d'un ventilateur de faible puissance.
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