EP1290326B1 - Moteur a combustion interne sans refroidissement exterieur - Google Patents

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EP1290326B1
EP1290326B1 EP01945422A EP01945422A EP1290326B1 EP 1290326 B1 EP1290326 B1 EP 1290326B1 EP 01945422 A EP01945422 A EP 01945422A EP 01945422 A EP01945422 A EP 01945422A EP 1290326 B1 EP1290326 B1 EP 1290326B1
Authority
EP
European Patent Office
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air
engine
combustion
internal combustion
explosion
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP01945422A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP1290326A1 (fr
Inventor
Bernard Golibrodski
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP1290326A1 publication Critical patent/EP1290326A1/fr
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Publication of EP1290326B1 publication Critical patent/EP1290326B1/fr
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Classifications

    • 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 is in the technical field of internal combustion engines, including internal combustion engines cylinders and pistons, with fuel injection, which can equip vehicles, or also be used as fixed engines.
  • the present invention aims to greatly reduce this loss of energy due to cooling, so as to improve sensitive energy efficiency of internal combustion engines.
  • the subject of the invention is essentially a motor with internal combustion, which does not have a cooling system specific external environment, and which is provided with means for the introduction, in one or more mixing chambers associated with one or more engine cylinders, a quantity of additional compressed air, for cooling, such the engine receives a total amount of air greater than that required for combustion / explosion of the fuel, the additional air being added, in the mixing chamber, to the combustion gases leaving the chamber of combustion, 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 outdoor cold source, but of a transfer of the enthalpy corresponding to an additional amount of air to that of combustion, the engine receiving a total amount of air greater than that required for combustion alone.
  • the air supplement is mixed with the gases leaving the combustion chamber in the "chamber of mixed".
  • the amount of air added in accordance with the invention is such that its increase of enthalpy at the end of mixing with the gases leaving the combustion chamber is equivalent to that rejected by cooling, in the case of internal combustion engines current equivalents, with external cooling system.
  • Volume total of the "additional gas + air" mixture thus stores the combustion enthalpy of the fuel before driving relaxation.
  • the fraction of air may be in the order of 40 to 70%, in relation to the quantity only necessary for fuel combustion / explosion, this last quantity being strictly unchanged from that of the current engines.
  • the energy efficiency, obtained for the engine object of the invention can reach 37% or more.
  • the enthalpy transmitted to the additional air is, in part, transformed into work during the driving relaxation with the gases of combustion, and is, for the remainder of this enthalpy received, released under thermal form within the combustion gases (in perfect balance with these gases) coming out of the engine, after motor relaxation. So there is no accumulation of heat in the engine object of the invention, and the overall thermal operation of this engine is very close to that of a conventional internal combustion engine.
  • the combustion chamber is cooled after each exit of the gases, by the air of the following combustion. The engine alone thus maintains its own equilibrium temperature.
  • the invention For the supply of combustion / explosion air, and the quantity of additional air, under pressure, the invention provides various opportunities.
  • the motor has at least one air compression cylinder, with a piston connected to the same crankshaft as the pistons of the cylinders serving for the driving relaxation, or "engine cylinders", this first possibility being particularly suitable for engines mounted on vehicles.
  • engine cylinders Preferably, one provides in this case two air compression cylinders, mounted in series (two-stage compression) for energy saving.
  • crankshaft is common to both sets.
  • Turbines of suitable construction, or compressors can also be used to provide combustion / explosion air and amount of additional compressed air, particularly in the case of fixed. If several engines according to the invention are used in position In a factory, for example, compressed air can be supplied to all of these engines from a group (turbine or compressor) common, sending air to all engines, which is naturally an economical solution.
  • a buffer bottle is inserted between the means for supplying combustion / explosion compressed air and the additional air, as contemplated above, and the point (s) of introducing this compressed air into the chamber or chambers of combustion / explosion and the corresponding mixing chamber or chambers.
  • the or each mixing chamber is delimited in the upper part by the cylinder head, laterally by the wall of the engine cylinder itself, and at the bottom by the piston head placed in the engine cylinder.
  • the breech has, in plus combustion air inlet and outlet gas valves combustion, at least one inlet with valve for the air inlet addition to said mixing chamber, and it also includes minus a gas and air outlet valve relaxed to the atmosphere.
  • the mixing chamber is not an additional mechanical device, but it forms itself, between the breech and the piston head in a exact position (depending on the amount of additional air), in progress from distance to the bottom dead center.
  • This mixing chamber is supplied with additional air by a specific valve, connected to the source additional compressed air, which is especially the outlet of the bottle buffer, itself powered by a compressor.
  • the valve provided for exhaust gas + air mixture relaxed, works by opening quickly to the bottom dead center of the piston.
  • a fuel supply and possibly an ignition element, of like candle.
  • the engine may use conventional fuels (gasoline or diesel), introduced substantially from same way as in conventional engines and in a similar cycle (four-stroke engine), with the advantageous feature of having long enough combustion / explosion time to obtain the the most complete combustion possible; this is an important benefit, from the point of view of the fight against pollution.
  • conventional fuels gasoline or diesel
  • four-stroke engine four-stroke engine
  • the engine object of the invention having a capacity of cooling at least equal to that of internal combustion engines classic, it is best to make the breech in a metallic material with high modulus of elasticity, higher than that of alloys usually employees, and in particular of special steel, as a safety preventive.
  • ventilation may "sweep" the outer surface of the breech; a small fan of very low power is provided for this purpose.
  • an internal combustion engine comprises in its general principle a crankshaft 2 single, at least one cylinder 3 of driving relaxation with a engine piston 4 connected to the crankshaft 2, a steel cylinder head 5 capping the cylinder 3 of driving relaxation, and at least one additional cylinder 6 of air compression with an internal piston 7 connected to the same crankshaft 2.
  • the additional cylinder 6 is provided for compressing a total amount of air, the air required for combustion / explosion and, in addition, a certain amount of additional air used to cool the engine.
  • the cylinder 6 of air compression comprises a suction of ambient air 8, and a compressed air discharge 9 connected to the inlet of a buffer bottle 10 of compressed air.
  • the output of the buffer bottle 10 is subdivided, and connected at an additional air intake point 11 and an air intake point 12 of located on the cylinder head 5 which, in the usual way, also includes fuel injection means.
  • the cylinder head 5 comprises internally a combustion chamber / explosion 13, connected to the point input 12 of the combustion air via a valve 14 combustion air inlet. At the combustion chamber / explosion 13 is also associated a valve 15 for the exit of the combustion gases.
  • the fuel injection point is located at 16, in the chamber of combustion / explosion 13. In the case of use of fuel requiring a spark ignition, the candle is located at 16 '(see FIGS. 3).
  • the cylinder head 5 On the side of the combustion chamber / explosion 13, the cylinder head 5 has an additional air intake valve 17 mounted between the point of entry 11 of additional air and a volume called "chamber mixture 18, which is delimited as shown in FIGS. 1 and 3: upper part, by the cylinder head 5; laterally, through the inner 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 further comprises a gas outlet valve 19 and additional air, relaxed, outside.
  • the engine still includes various members, such as tree (s) to cams needed to control the valves.
  • the introduction of air additional tablet in the mixing chamber 18 is controlled by the valve 17, and the output of the mixture of combustion gases and air additional is controlled by the valve 19, while the injection of fuel, and the operation of the combustion chamber / explosion 13 are in principle not modified in relation to the engines the duration of combustion being, however, clearly higher).
  • This combustion chamber / explosion 13 is supplied with air compressed, which enters through the valve 14, at a pressure and a defined rate according to the manufacturer, power and fuel. That chamber 13 communicates with the driving relaxation cylinder 3 by the valve 15; from the end of the combustion / explosion, the gases come out of the chamber 13 by the valve 15, and start their work in relaxation with additional air which these combustion / explosion gases mix instantly, from their exit by the valve 15.
  • the additional air intake 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 piston head 4 has "cleared", above her, a calculated volume which is that of the chamber 18. At this point, the amount of additional air required is reached inside the mixing chamber 18, and the valve 17 ends its closure. Thus, the gases from the chamber of combustion / explosion 13 will, from the beginning of their entry into the engine cylinder 3, on the piston head 4, mixed with the quantity of air additional tablet which has just been introduced into the same cylinder 3.
  • the end of closing of the valve 17 is also the moment opening of the valve 15, allowing the entry of the combustion gases in the mixing chamber 18, where these gases mix with the additional air previously introduced.
  • the enthalpy of the additional air is thus rendered available in the combustion gases, mixed with this air, and this mixing leads to an instantaneous lowering of the temperature; it is likewise the lowering of the pressure, which is the consequence direct. It is important to note that this lowering of temperature and pressure of the combustion gases, obtained during the very short mixing with the additional air to which the corresponding enthalpy is "surrendered" is the same as for the combustion gases of an internal combustion engine during cooling by an external cold source, such as circulating water.
  • this gas-air mixture provides a work of maximum relaxation, the final pressure being practically zero, since corresponds to the pressure drop between the engine cylinder 3 and the output to the atmosphere (this pressure drop may be close to 0.3 bar), the makes it is the piston 4, leaving its bottom dead center, which will compress slightly the mixture "gas + air” to evacuate it outside via the valve 19.
  • crankshaft 2 in one turn of the crankshaft 2, the four time of a classic engine. Since a motor cylinder 3 is actually engine on a half-turn of the crankshaft 2, it is clear that installing a second engine cylinder on the same crankshaft (with mounting the respective crank pins in phase opposition), the crankshaft becomes really driving on the totality of each turn.
  • the spray of fuel is at injection point 16 located, like the candle, 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 chamber / explosion 13 in the same conditions as for a conventional engine of this type.
  • the time of combustion / explosion being much longer that in current engines, allows a good diffusion of combustion in the combustion chamber / explosion 13, so obtaining a the most complete combustion possible, which is an important point against pollution.
  • the burning time is indeed between mid-race from the raising of the piston 4 to its top dead center, and all start of his descent to the bottom dead center. Indeed, it is necessary that this combustion ends however before the piston 4 of the engine cylinder 3, during his run to the bottom dead center, cleared the volume required additional air, called "mixing chamber" 18.
  • two compression cylinders 6 are preferably provided. of air, mounted in series for a two-stage compression, above which can take place the buffer bottle 10, 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 linked to the same crankshaft 2 by a conventional crankshaft, no represent. Since compressed air is introduced into the bottle buffer 10 before use, it is necessary that it be free of oil, so that for the pistons 7 of the cylinders 6 of air compression, one uses "dry" pistons (with non-lubricated segments).
  • the buffer bottle 10 is insulated. In addition, so that the air supplied at the required pressure and temperature, even after a wide stop and whatever the season, the buffer bottle 10 has advantageously means of reheating, achievable under the form of a heating electric resistance, adapted for heating of this bottle. Moreover, for safety reasons, the outputs of the buffer bottle 10, to the combustion / explosion chambers 13 and mixture 18, are provided with non-return valves.
  • Figure 6 illustrates the alternative possibility of applying the the present invention to a high-efficiency driving turbine 20, which by means of a gearbox 21 (or speed reducer-variator) causes a machine 22 such as vehicle, industrial equipment or other.
  • Compressed air is here also supplied from at least one cylinder 6 of air compression, and via a buffer bottle 10 whose outlet is connected to an additional air inlet point 11 and to a point 12 of combustion air located on a cylinder head 5 (the elements corresponding to those previously described being designated by the same numerical markers).
  • the fourth valve for expanded gas and air outlet is removed.
  • the "mixing chamber” of gas and additional air is materialized differently.
  • the valve 17 additional air inlet closes just as the valve opens 15 output of the gases from the combustion chamber 13, the outputs respective of these two valves 15 and 17 being joined to the neck of the venturi 23, downstream of which the gaseous flow starts 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 combustion engines present invention, applying the same power range than the current engines.
  • the invention can be implemented both for the motorisation of new vehicles or new installations, as transform existing engines.

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Description

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 refrigéré 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, la 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 entraíne, 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) entraíne 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 11 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 oeuvre 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 (10)

    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 11, 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 deux cylindres (6) de compression d'air montés en serie, avec pistons (7) lié au même vilebrequin (2) que les pistons (4) des cylindres (3) servant à la détente motrice, ou cylindres moteurs.
         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; le vilebrequin étant commun à ces deux ensembles;
         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 d'air étant strictement inchangée par rapport à celle des moteurs actuels;
         la chambre de combustion (13) est alimentée en air comprimé à une pression et un taux définis, selon le constructeur, la puissance, et, le carburant.
    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 (11) 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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