FR2478740A1 - Procede et dispositif d'amorcage de combustion par reaction thermochimique de l'hydrogene et de l'oxygene - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN APPAREIL D'AMORCAGE D'UNE REACTION THERMOCHIMIQUE DE COMBUSTION PAR DE L'HYDROGENE ET DE L'OXYGENE. ELLE SE RAPPORTE A UN APPAREIL DANS LEQUEL UNE CHAMBRE 124 DE COMBUSTION D'HYDROGENE RECOIT DE L'HYDROGENE ET DE L'OXYGENE DONT L'ALLUMAGE EST ASSURE PAR UNE BOUGIE 22. LES PRODUITS TRES CHAUDS DE CETTE COMBUSTION SONT TRANSMIS A UNE CHAMBRE 127 DE COMBUSTION D'UN CARBURANT PRIMAIRE QUI EST ALLUME DE FACON TRES REGULIERE ET DONNE AINSI UN EXCELLENT RENDEMENT AU MOTEUR ASSOCIE. APPLICATION A TOUS LES PROCESSUS DE COMBUSTION, PAR EXEMPLE AUX MOTEURS A COMBUSTION INTERNE OU EXTERNE.

Description

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La présente invention coicerne un procédé et un

appareil de combustion contrôlée de l'hydrogène et de l'oxy-

gène assurant l'amorçage de la réaction et une excellente

combustion dans les systèmes qui en mettent une en oeuvre.

Le procédé et l'appareil selon l'invention donnent un ex-.

cellent rendement thermique, réduisent les émissions et per-

mettent l'utilisation de divers combustibles qui, dans d'au-

tres conditions, pourraient présenter une réaction difficile.

Le procédé et l'appareil selon l'invention conviennent à des

systèmes de combustion extrêmement divers, à combustion in-

terne ou externe, dans des installations fixes ou mobiles,

par exemple des moteurs des véhicules, à essence ou à car-

burant diesel, les turbines à gaz, les moteurs à cycle de

Rankine ou de Stirling, les fours et les chaudières, y com-

pris ceux qui brûlent du charbon et des dérivés du pétrole.

Le procédé et l'appareil d'amorçage decombustion par réaction thermochimique de l'hydrogène et de l'oxygène selon l'invention permettent un amorçage plus vigoureux que

celui que donnent les dispositifs classiques d'allumage élec-

triques ou par compression, aussi bien avec les combustibles classiques qu'avec ceux qui ne sont pas à base de pétrole et dont la combustion peut être difficile dans des systèmes très divers tels que les moteurs à combustion interne à piston, les moteurs à turbine, les moteurs à combustion externe, les

fours et les chaudières.

Dans les applications qui consomment un combustible les diverses implications de la disponibilité restreinte de ressources énergétiques primaires non renouvelables et des facteurs relatifs à la dégradation de l'environnement due à la consommation d'énergie, font prendre en considération les économies de combustible, la réduction des émissions et le

passage à d'autres combustibles qui ne sont pas tirés du pé-

trole et qui peuvent être produits sur place dans chacun des pays considérés. Ces trois objectifs sont très liés et, dans de nombreux cas, ils sont antagonistes. Par exemple, le passage à l'utilisation de charbon, depuis le pétrole ou

le gaz naturel, dans les centrales électriques, pose de déli-

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cats problèmes de lutte contre les émissions et nécessite

des modifications très importantes des chaudières.

Les systèmes et dispositifs mettant en oeuvre des combustions sont primordiaux dans les systèmes de conversion d'énergie aussi bien mobiles que fixes, desservant toute les

nations industrielles. Des exemples essentiels sont les mo-

teurs à combustion interne d'automobiles et les chaudières

des centrales électriques.

Etant donné les critères fixés par'l'économie

d'énergie et l'environnement et sous la pression de règle-

ments gouvernementaux, les constructeurs et utilisateurs de systèmes de combustion cherchent à améliorer le rendement de conversion d'énergie ou l'économpie de combustible permise par ces systèmes. Des normes récemment promulguées sur la

réduction de la consommation de carburant par les automo-

biles, aux Etats-Unis d'Amérique ("Energy Policy and Conservation Act", 1975) constituent un exemple de cette

pression. On attache de plus en plus d'importance à la ré-

duction de l'impact des systèmes aussi bien mobiles que fi-

xes, mettant en oeuvre une combustion, sur la dégradation

de l'environnement.

On peut considérer l'état actuel de la technique par considération de trois catégories fondamentales: l'amélioration du rendement de conversion d'énergie ou les gains dus à une économie de combustible; la réduction de la pollution atmosphérique, des eaux et des terres ayant de l'influence pour l'environnement, ou l'amélioration de la technologie de lutte contre les émissions; et la mise

à disposition de combustibles de remplacement et de nou-

velles applications permettant la réduction de l'utilisa-

tion des combustibles à base de pétrole et de gaz naturel.

On a cherché depuis longtemps à améliorer le ren-

dement de conversion d'énergie afin de donner une plus gran-

de économie de fonctionnement dans pratiquement tous les systèmes industriels mettant en oeuvre une combustion. En conséquence, on a atteint un état relativement développé n'ayant que des possibilités limitées de gain supplémentaire

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intéressant en pratique, par mise en oeuvre des techniques classiques. Par exemple, le rendement de combustion obtenu dans les moteurs modernes à combustion interne et dans les chaudières à vapeur est habituellement supérieur à 90 % et le plus souvent proche de 100 %, par exemple de 98 9. Les

gains supplémentaires sont donc intrinsèquement très limités.

Cependant, dans certains cas, on recherche des améliorations mesurables telles que par exemple la mise au

point d'un moteur diesel à grande vitesse pouvant être uti-

lisé dans les camions lourds et dans les autobus. Cependant,

le moteur diesel pose des problèmes de pollution de l'en-

vironnement qui, dans l'avenir, peuvent limiter son utilisa-

tion et/ou empêcher l'utilisation de gains potentiels par économie de carburant. Les moteurs diesel légers et à grande vitesse pour les automobiles actuelles et les camions légers mettent en oeuvre une chambre de combustion divisée et non la simple configuration de chambre unique desmoteurs plus importants. On utilise, en plus de la chambre principale de combustion dans laquelle le combustible brûle avec de l'air très comprimé, une chambre auxiliaire qui lui est reliée et est appelée chambre de précombustion ou de brassage. C'est dans cette dernière chambre que le carburart diesel est injecté initialement et, dans certaines configurations, dans laquelle est disposée une bougie électrique de réchauffage qui facilite la mise en route. La chambre de dessin divisée, bien qu'elle

présente des pertes thermodynamiques de 10 à 15 %, se reflé-

tant sur l'économie de carburant, est considérée comme né-

cessaire pour la satisfaction des critères fixés dans la lutte contre les émissions et pour l'obtention d'un allumage efficace et d'un rendement élevé de combustion. Si un moteur

ayant une (seule) chambre ouverte d'injection directe pou-

vait satisfaire ces critères, les gains globaux sur l'éco-

nomie de carburant pourraient être substantiels.

Les études sur la technologie de lutte contre les

émissions se sont beaucoup développées à la suite de règle-

ments établis pour la fixation de concentrations déterminées

pour des émissions particulières. On peut citer parmi celles-

ci l'oxyde-de carbone, les hydrocarbures réactifs; les oxydes

d'azote, les o*ydes de soufre et les particules. Les concen-

trations imposées en général pour ces émissions ont été pro-

gressivement réduites. En outre, les concentrations sont dé-

terminées d'après les critères particuliers et les consé- quences sur la qualité de l'air dans les diverses régions, par exemple dans l'état de Californie. Des essais de lutte contre les émissions portent notamment sur la préparation et

l'admission de carburant modifié, par exemple le perfection-

nement des injecteurs de carburant diesel avec réduction du

volume mort en bout d'injecteur, des modifications des pro-

cessus de combustion, par exemple de recyclage des gaz d'échappement, l'injection d'eau et des mesures d'épuration des gaz d'échappement, par exemple un traitement postérieur sur un catalyseur d'oxydation dans les automobiles et un traitement de désulfuration sur produits calcaires dans les

centrales électriques à charbon.

La plupart des mesures prises dans la lutte contre les émissions ont des effets techniques nuisibles, fixent des contraintes défavorables aux modes opératoires et/ou augmentent les coûts initiaux et de fonctionnement, et elles sont souvent contrairesà un bon rendement ou à une bonne économie de carburant et peuvent même parfois provoquer de

nouvelles émissions secondaires; par exemple,, les conver-

tisseurs catalytiques actuels des automobiles créent une contre-pression indésirable dans le collecteur d'échappement si bien que le rendement est. réduit, le carburant utilisé

doit être une essence sans plomb et les rapports de compres-

sion du moteur doivent être réduits, toutes conditions ré-

duisant le rendement et provoquant l'émission de produits

gazeux et liquides à base de sulfates nocifs qui ne seraient.

pas présents normalement.

Les techniques de combustion de mélanges pauvres

recherchés dans certains moteurs à combustion interne d'au-

tomobiles, réduisent notablement les émissions d'oxydes

d'azote et d'oxyde de carbone, mais étant donné les varia-

tions du mélange air-carburant d'un cylindre à un autre et analogues.

La principale utilisation de l'hydrogène comme com-

bustible est alors actuelle dans les applications aérospatia-

les. La mise au point précoce de la fusée à hydrogène, con-

sommant principalement de l'oxygène mais aussi du fluor et certains autres oxydants, est décrite dans l'article de

Sloop, J.L., "Liquid Hydrogen as a Propulsion Fuel, 1945-

1959", The NASA History Series, NASA SP-4404, Washington,

D.C. 1978.

Dans les années 1960, on a mis au point des moteurs-

fusées consommant de l'hydrogène.et de l'oxygène, au cours du programme spatial des Etats-Unis d'Amérique. Une partie de ces moteurs comporte à la fois une.chambre principale de combustion recevant l'hydrogène et l'oxygène et plusieurs -15 dispositifs de combustion auxiliaire, un générateur de gaz

hydrogène-oxygène donnant la richesse nécessaire au com-

bustible et un petit dispositif d'allumage de mélange hydrogène-oxygène, aidé par formation d'une étincelle et utilisé pour l'amorçage de la combustion dans la chambre principale. Au cours des années 1970, la société Rocketdyne

a mis au point un système à moteur-fusée du type hydrogène-

oxygène à combustion étagée à haute pression dans la cham-

bre de combustion, donnant une poussée de l'ordre de 2,2.106 N. ayant plusieurs dispositifs d'amorçage de la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène, pour le système

du véhicule de lancement réutilisable appelé "navette spa-

tiale". Pendant la même période, on a construit et essayé plusieurs petits systèmes de réglage de la réaction de l'hydrogène et de l'oxygène et d'autres moteurs-fusées destinés à être utilisés à titre auxiliaire, mais aucun

n'a été développé au point d'être actuellement en service.

Les moteurs-fusées à hydrogène et oxygène et les

domaines associés de combustion forment la base de la tech-

nologie de création de dispositifs de combustion d'hydrogène et d'oxygène fonctionnant sur une largeplage de débits, de pressions et de rapports de mélange des réactifs (mélange

les limites donnant finalement des ratés, les émissions d'hy-

drocarbures réactifs augmentent et le rendement de combustion

diminue au-dessous des limites acceptables.

Un problème fondamental posé par l'utilisation des combustibles de remplacement est l'incompatibilité des dis- positifs actuels avec leur utilisation. Jusqu'à présent, on

a cherché à préparer des combustibles de remplacement cor-

respondant aux mêmes spécifications techniques que les com-

bustibles ou carburants actuels à base de pétrole: essence, carburant diesel et pour turbines, huile de chauffage et fuels résiduels. Cependant, le respect des spécifications actuelles portant sur les combustibles et carburants, en

partie ou en totalité, est difficile, coûteux et très sou-

vent impossible, lorsque les matières premières ne sont

pas tirées du pétrole mais par exemple du charbon, de l'hui-

le de schiste ou de la biomasse. Par exemple, l'utilisation de carburants de remplacement dans les moteurs diesel à allumage par compression nécessite l'obtention d'un indice minimal de cétane alors que, dans les moteurs à allumage par bougie, consommant de l'essence, il faut un indice minimal d'octane. Certains carburants de remplacement n'ont pas ces qualités fondamentales nécessaires dans les dispositifs classiques de combustion. De nouvelles techniques portant sur

la préparation du combustible ou carburant et suir l'admis-

sion de celui-ci dans la chambre de combustion sont souhai-

tables à cause de propriétés telles qu'un état physique incompatible du carburant, une mauvaise adaptation de la

plage de viscosités et une volatilité non convenable.

Bien qu'on ne l'utilise pas en grandes quantités comme carburant ou combustible dans les systèmes mettant en oeuvre une combustion, on a déjà utilisé l'hydrogène dans

certains processus de combustion entretenue par l'air, met-

tant en oeuvre l'oxygène atmosphérique, aussi bien dans des installations fixes que mobiles. En outre, on utilise depuis longtemps la combinaiscnde l'hydrogène et de l'oxygène dans

le chalumeau oxhydrique, pour la coupe et le soudage des mé-

taux, la fabrication de verreries et d'autres opérations riche ou pauvre ou stoechiométrique). Cette technologie englobe les dispositifs d'amorçage de la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène, permettant l'amorçage de la combustion dans des systèmes de grande dimension représentés par exemple par les chambres principales de-poussée des fusées. L'utilisation de tels dispositifs d'amorçage de cette combustion pour l'allumage dans des systèmes employant

d'autres combinaisons de réactifs que l'hydrogène et l'oxy-

gène, n'est pas connue actuellement pour l'allumage dans des systèmes consommant des hydrocarbures tels que les moteurs

à piston à combustion interne, les turbines à gaz, les ma-

chines thermodynamiques à combustion externe, les fours ou

les chaudières.

Une autre application proposée pour les dispositifs

de combustion d'hydrogène et d'oxygène est le brûleur stoe-

chiométrique dans lequel l'eau constituant un diluant est ajoutée afin que l'ensemble forme un générateur de vapeur

d'application particulière, peu encombrant et dont la pres-

sion, la température, le débit et la réponse sismique peu-

vent être facilement réglés, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 1 483 917. On a proposé de tels systèmes pour la formation de moteurs à grand rendement pour des véhicules et pour la création d'électricité, par mise en oeuvre d'appareils spéciaux de détente de vapeur d'eau à haute température, réalisés par Rockwell International,

Rocketdyne Division, comme décrit dans l'article "A Non-

Polluting Noiseless Engine for Powerplant Applications -

With Specific Orientation to a High Speed Ground Trans-

portation System", de W.J.D. Escher, D.S. Goalwin et R.E.

Schnurstein, Rocketdyne Division, Rockwell International, rapport RIP-13, juillet 1970 et par the General Electric Co, comme décrit dans l'article "Role of Hydrogen in Eco Energy", de W. Hausz, General Electric Co., TEMPO Center for Advanced Studies, communication à Hydrogen for Energy Distribution, Institute of Gas Technology Symposium, janvier 1979, Chicago Illinois. Escher Technology Associates a proposé un tel système pour la propulsion des véhicules automobiles, comme décrit dans l'article "On the Higher Energy Form of Water (H2O0) in Automotive Vehicle Advanced Power Systems",

de W.J.D. Escher, Escher Technology Associates, communica-

tion à 7th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, septembre 1972, San Diego, Cali-

fornie. Plus récemment, Rocketdyne a étudié cette pos-

sibilité de production de vapeur d'eau pour centrales d'éner-

gie électrique à l'aide de divers cycles thermodynamiques, comprenant notamment les chaudières à vapeur à condensation classique à cycle de Rankine, comme décrit dans l'article "Hydrogen/oxygen Steam Generation: an Example of Aerospace Technology Transfer", de D.E. Wright, Rocketdyne Division, Rockwell International, communication à Hydrogen for Energy Distribution, Institute of Gas Technology symposium paper, janvier 1979, Chicago, Illinois. Dans-ces applications du principe de la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène,

on observe que la création de vapeur d'eau est le seul ob-

jectif visé.

On a proposé un grand nombre d'applications po-

tentielles des systèmes de combustion d'hydrogène et d'air

et certains ont atteint le stade de la recherche expérimen-

tale. Ils vont des moteurs à combustion interne pour véhi-

cules automobiles jusqu'aux turbines à gaz pour la marine,et jusqu'aux groupes propulseurs pour aéronefs subsoniques,

supersoniques et hypersoniques mettant en oeuvre des sys-

tèmes à turbines à gaz, des systèmes composites à propulsion par fusée et par aspiration d'air, et des statoréacteurs à combustion supersonique, comme décrit dans l'article "Survey and Assessment of Contemporary U.S. Hydrogen-Fuelel Internal

Combustion Engine Projects", de W.J.D. Escher, Escher Tech-

nology Associates, rapport à the U.S. Energy Research and

Development Administration, ERDA Report TEC-75/005, septem-

bre 1975.

Il existe aussi des études portant sur la consom-

mation d'hydrogène complémentaire dans des systèmes mettant une combustion consommant un combustible classique, par exemple des moteurs à combustion interne, comme décrit dans les articles "Emission Control with Lean Operation Using Hydrogen-Supplemented Fuel", de R.F. Stebar et F.B. Parks, General Motors Corporation Research Publication GMRL-1537, février 1974; et "Hydrogen-Enrichment-Concept, Preliminary Evaluation", Anonyme, Jet Propulsion Laboratory, rapport

préparé pour le contrat Interagency Agreement ERA-IAG-Dr-

0548, U.S. Energy Research and Development Administration,

sous la référence TEC-74/007, décembre 1975. Dans les dis-

positifs mettant en oeuvre un combustible classique mais avec une addition d'hydrogène, l'objectif principal est un élargissement de la plage de combustion de mélanges pauvres

en hydrocarbures, et une augmentation mesurable de l'écono-

mie de carburant et une réduction des émissions. On a proposé divers dispositifs d'addition d'hydrogène destinés à donner

des caractéristiques voulues d'appauvrissement dans les mo-

teurs à combustion interne. Les différences principales en-

tre ces diverses techniques portent sur la source d'hydrogène, notamment en ce qui concerne la disponibilité de l'hydrogène à bord des véhicules, comme décrit par exemple dans l'article "Lean Combustion in Automotive Engines: An Assessment of the Addition of Hydrogen to Gasoline as Compared to Other Techniques", Anonyme, the Aerospace Corporation, rapport préparé pour le contrat EPA Contract n E/04-3/-1101, PA-3,

U.S. Department of Energy Report CONS/1101-1, février 1976.

Parmi les techniques proposées,on peut citer le stockage du gaz sous pression, la production de gaz riches en hydrogène à partir d'hydrocarbures liquides, y compris le carburant

classique le plus utilisé, c'est-à-dire l'essence, et d'au-

tres composés chimiques comme décrit par exemple dans l'ar-

ticle "Hydrogen-Enrichment-Concept, Preliminary Evaluation", Anonyme, Jet Propulsion Laboratory, rapport préparé pour le contrat Interagency Agreement ERA-IAG-D4-0548, U.S. Energy Research and Development Administration, de référence

TEC-74/007, décembre 1975, le stockage d'un hydrure métalli-

que, comme décrit dans l'article "Hydrogen Storage in Metal Hydrides", de J.J. Reilly et G.D. Sandrock, Scientific American, février 1980, un liquide cryogénique, l'électrolyse de l'eau comme décrit dans l'article "Automotive Fuel-Saving System with On-Board Hydrogen Generation and Injection into

I.C. Engines", de D.A. Kelley, Technidyne, Inc., communica-

tion à the lst World Hydrogen Energy Conference Proceedings, mars 1978, Miami Beach, Floride, et la technique de réglage

des moteurs à combustion décrite dans le brevet des Etats-

Unis d'Amérique n0 4 111 160.

Un inconvénient de ces techniques mettant en oeuvre une addition d'hydrogène est qu'il faut, pour une quantité d'énergie équivalente, des quantités très importantes d'hydrogène, en comparaison d'un combustible ou carburant habituel, pour la réalisation des gains voulus sur le combustible et sur la réduction des émissions. La nécessité d'un appareillage important de stockage d'hydrogène et/ou de formation d'hydrogène à bord, avec des-implications de prix et/ou de rendement-de fonctionnement qui correspondent, ont limité et même bloqué le développement de ces techniques

à addition d'hydrogène. On ne connaît pas actuellement d'amor-

çage de combustion par réaction thermochimique de l'hy-

drogène et de l'oxygène du type mettant en oeuvre une "bou-

gie d'amorçage chimique" ou l'utilisation d'une chambre de traitement préalable d'un combustible ou d'un carburant, permettant l'amorçage et l'amélioration de la combustion, pour un combustible primaire différent, autre que l'hydrogène, dont la combustion a lieu essentiellement avec de l'air dans

une chambre classique de combustion.

L'invention met en oeuvre la combustion des réac-

tifs hydrogène et oxygène présents à l'état de traces en comparaison des quantités utilisées suivant les techniques

précitées d'addition d'hydrogène, donnant des effets avan-

tageux dans les systèmes mettant en oeuvre une combustion,

par mise en oeuvre du procédé et du dispositif de l'inven-

tion. Le dispositif de stockage et de création d'hydrogène et d'oxygène selon l'invention peut avoir une dimension et un prix relativement faibles et la réduction éventuelle de rendement est faible par rapport aux avantages globaux obtenus. il L'invention remédie aux inconvénients des systèmes connus de combustion par mise en oeuvre d'un appareil et d'un procédé de traitement préalable de combustibles ou

carburants et d'amorçage de la combustion.

Elle concerne aussi un dispositif-d'allumage pour

la combustion des carburants primaires classiques ou de rem-

placement, plus efficace que les dispositifs électriques ou

thermiques actuellement utilisés tels que les bougies d'al-

lumage, les bougies de réchauffage et le réchauffage par

compression d'air.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil per-

mettant une augmentation du rendement de fonctionnement et réduisant les effets dus à un retard nuisible à l'allumage tels qu'une augmentation extrêmement rapide de la pression

lors de la combustion et l'application de charges mécani-

ques très importantes dans des systèmes tels que les moteurs

diesel et à cycle d'Otto.

Elle concerne aussi le traitement préalable d'un

carburant ou combustiblepar atomisation, vaporisation, mo-

dification chimique, mélange et allumage du combustible o carburant, thermochimiquement et mécaniquement, avant sa combustion, afin que le rendement obtenu soit accru et que

les émissions soient réduites ou modifiées de façon favorable.

Elle concerne aussi l'utilisation d'énergie qui serait par ailleurs perdue, par exemple de l'énergie des gaz d'échappement à température élevée et des fluides de refroidissement ainsi que l'énergie de freinage du véhicule, pour la création d'électricité utilisée dans l'électrolyse de l'eau qui donne de l'hydrogène et de l'oxygène nécessaires à la mise en oeuvre du procédé et de l'appareil d'amorçage de la réaction thermochimique de l'hydrogène et de l'oxygène;

selon l'invention.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil d'amorçage d'une combustion, permettant le fonctionnement d'un système à combustible ou carburant classique tel que l'essence ou des mélanges homogènes d'un combustible et d'air, dans des conditions plus pauvres que celles qu'on

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peut normalement obtenir, afin que l'économie de carburant

soit accrue etsque les émissions soient réduites.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil

d'amorçage d'une combustion destinés à améliorer le fonc-

tionnement des systèmes mettant en oeuvre des mélanges

hétérogènes de combustible et d'air, par exemple des mo-

teurs à cycle d'Otto à charge stratifiée, par rapport à

ceux qui sont actuellement utilisés et qui mettent en oeu-

vre un allumage électrique et une injection directe du

carburant.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil d'amorçage d'une combustion permettant à des moteurs diesel

à grande vitesse de posséder avantageusement les configu-

rations de chambre ouverte de combustion à injection directe dans les cylindres, déjà utilisésdans les moteurs diesel à vitesses moyenne et faible, à la place des configurations actuellement utilisées à chambre de précombustion et à chambre de brassage, afin que les pertes thermodynamiques

soient réduites et que le rendement du carburant soit amé-

lioré.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil d'amorçage de la combustion qui assurent l'allumage et la combustion d'un carburant dans les moteurs diesel afin que

les émissions des moteurs soient réduites, notamment cel-

les de particules et des oxydes d'azote.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil

d'amorçage de la combustion réduisant les restrictions im-

posées par les indices de cétane du carburant si bien que le carburant utilisé dans les moteurs diesel peut différer

notablement des carburants à base de distillats actuelle-

ment rendus nécessaires par les spécifications.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil d'amorçage d'une combustion qui permet une modification des systèmes actuels de combustion afin qu'il puisse utiliser des combustibles ou carburants primaires autres que ceux

pour lesquels ils sont prévus.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil

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d'amorçage de combustion destinés à réduire notablement les

émissions des oxydes d'azote des systèmes de combustion fonc-

* tionnant à température élevée et avec des combustibles clas-

siques liquides, tels que les turbines à gaz, par vaporisa-

tion préalable locale et presqu'instantanée du combustible

si bien que des régions de combustion presque stoechiométri-

que à température élevée entourant des gouttelettes de com-

bustible en train de brGler sont évitées.

Elle concerne aussi un procédé et un appareil

d'amorçage d'une combustion, mis en oeuvre dans un dispo-

sitif qui peut être installé dans des systèmes existants de combustion, avec une modification très réduite ou qui peut

être intégré dans de nouveaux systèmes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion seront mieux compris à la lecture de la description

qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels:

- la figure l est un diagramme synoptique illus-

trant l'amorçage d'une combustion par réaction thermochimique de l'hydrogène et de l'oxygène réalisée par mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 est un diagramme synoptique en par-

tie sous forme d'une coupe schématique d'un mode de réalisa-

tion d'appareil selon l'invention, dans le cas d'un moteur à combustion interné à carburant classique;

- la figure 3 est un diagramme synoptique en par-

tie sous forme d'une coupe schématique d'un autre mode de réalisation d'appareil selon l'invention dans lequel une partie ou la totalité du carburant classique est introduite dans le moteur par le dispositif d'amorçage de la combustion qui a une seule chambre de combustionréaction;

- la figure 4 est un diagramme synoptique en par-

tie sous forme d'une coupe schématique d'un autre mode de réalisation de dispositif selon l'invention dans lequel une partie ou la totalité du carburant classique est introduite dans le moteur par une chambre secondaire étagée placée dans

l'appareil d'amorçage de la combustion en aval de la combus-

tion de l'hydrogène et de l'oxygène; et - la figure 5 est un diagramme synoptique d'un système associé à un moteur de véhicule, selon un mode de réalisation de l'invention et comportant un électrolyseur d'eau monté à bord afin qu'il donne de l'hydrogène et de l'oxygène. La figure 1 représente un système 10 d'amorçage de la combustion par réaction thermochimique de l'hydrogène et de l'oxygène, sous forme d'un diagramme synoptique. Ce système 10 comprend un ensemble 12 de commande, un ensemble

13 d'alimentation en hydrogène et en oxygène, et un dispo-

sitif il d'amorçage de la combustion par réaction de l'hy-

drogène et de l'oxygène. On peut utiliser plusieurs ensembles 13 d'alimentation et plusieurs dispositifs 11 d'amorçage

dans un seul système 10 d'amorçage par réaction thermo-

chimique. Le système 14 mettant en oeuvre une combustion peut être présenté par tout système à combustion permanente, cyclique ou pulsée, à combustion interne ou externe, par exemple les moteurs à combustion interne des véhicules, y

compris les moteurs à essence, à carburant diesel et à au-

tres carburants hydrocarbonés, les turbines à gaz, les mo-

teurs à combustion externe à cycle de Rankine et de Stirling,

les fours et les chaudières. On peut utiliser des combusti-

bles ou carburants principaux classiques ou de remplacement.

Les installations peuvent être fixes ou mobiles.

La figure 1 indique que l'ensemble 12 de commande comporte un dispositif 101 de commande, un dispositif 102 d'alimentation d'allumage, un dispositif 103 d'alimentation en oxygène sous pression, un dispositif 104 d'alimentation

en hydrogène sous pression et un dispositif 105 d'alimenta-

tion en combustible ou carburant primaire. Le dispositif 101 de commande coordonne et règle le fonctionnement de

tous les éléments de l'ensemble 12 de commande comme indi-

qué par un dispositif 106 de coordination qui est relié aux

différents éléments de l'ensemble 12 de commande.

Dans la suite du présent mémoire, on utilise de façon interchangeable les termes "carburant" et "combustible"

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qui désignent tous deux aussi bien les carburants que les, combustibles. Le dispositif 101 de commande et le dispositif 106 de coordination peuvent être des dispositifs électroniques, électromécaniques et/ou mécaniques quelconques destinés à donner les résultats voulus comme indiqué précédemment et comme peuvent le noter les hommes du métier. Le dispositif 101 de commande est coordonné au système 14 mettant en oeuvre la combustion par un dispositif 107 de coordination afin que du carburant primaire soit transmis au système 14 et que i;.age, l'oxygène, l'hydrogène et le carburant primaire le cas échéant soient transmis au dispositif 11 d'amorçage par réaction thermochimique, avec réglage des

quantités et du déroulement dans le temps donnant le fonc-

tionnement voulu du système 14. Le circuit électronique ou le dispositif mécanique peut être commandé par un signal

tiré d'une analyse chimique de la combustion dans le sys-

tème 14, par exemple dans le cas des fours, ou provenant de

la rotation d'un volant, dans le cas des moteurs à combus-

tion interne, et il peut comprendre le dispositif 107 de coordination qui est relié au dispositif 101 de commande afin qu'il assure la coordination du fonctionnement du système 10 d'amorçage et du système 14 mettant en oeuvre la combustion. Le dispositif d'allumage comporte le dispositif

102 de commande d'allumage, une source 108 d'énergie d'al-

lumage et un dispositif 122 transmettant l'énergie d'allu-

mage à un dispositif 121 qui alimente lui-même le dispositif il d'amorçage par réaction thermochimique. La source 108

d'énergie d'allumage peut être toute alimentation électri-

que, par exemple le réseau électrique normal, une pile ou un accumulateur électrique, un alternateur, une génératrice ou analogue, capable de fournir l'électricité voulue. Le dispositif 122 d'allumage peut être une bougie,

une bougie de réchauffage ou un autre allumeur électrique.

Le dispositif d'alimentation en oxygène sous pres-

sion comporte une soupape 103 de réglage, une source 111 et un dispositif 119 d'injection d'oxygène. La soupape 103 peut être commândée électroniquement ou mécaniquement afin * qu'elle règle la synchronisation et le débit d'oxygène transmis dans le conduit 119 d'injection d'oxygène vers le dispositif Il d'amorçage. La source 111 peut être toute

source convenable d'oxygène telle que de l'oxygène trans-

mis par des canalisations, des réservoirs de stockage ou des dispositifs destinés à produire des gaz contenant de l'oxygène et transmis à la soupape 103. Le terme "oxygène" utilisé dans le présent mémoire désigne tout gaz contenant plus de 75 % environ en volume d'oxygène et ne contenant

pas de composés chimiques nuisibles à la combustion ou pou-

vant former des produits indésirables. Le gaz contient de

préférence plus de 95 % environ en volume d'oxygène.

Le dispositif d'alimentation en hydrogène sous pression comporte une soupape 104 de réglage, une source

112 d'hydrogène et un dispositif 120 d'injection. La sou-

pape 104 peut être commandée électroniquement ou mécanique-

ment afin qu'elle règle la synchronisation et le débit

d'hydrogène transmis par le conduit 120 du dispositif d'in-

jection, vers le dispositif 11 d'amorçage. La source 112 est formée par toute source convenable telle que l'hydrogène transmis par canalisations, les réservoirs de stockage ou des dispositifs capables de former des gaz contenant de l'hydrogène transmis à la soupape 104. Le terme "hydrogène" utilisé dans le présent mémoire désigne tout gaz contenant plus de 75 % en volume environ d'hydrogène et ne contenant pas de produits chimiques qui nuisent à la combustion ou

qui peuvent former des produits indésirables de combustion.

Le gaz contient avantageusement plus de 95 % en volume d'hy-

drogène. Les dispositifs d'alimentation en oxygène et-en hydrogène sous pression doivent transmettre ces gaz à une pression suffisante pour qu'ils pénètrent dans la chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène et qu'ils assurent le mélange voulu dans les conditions de pression régnant dans la chambre de combustion du combustible primaire, et le mode de fonctionnement voulu. Par exemple, lorsque la chambre de combustion du combustible ou carburant primaire est le cylindre d'un moteur à combustion interne ayant un

mode cyclique de fonctionnement, la pression doit être su-

périeure à celle qui est utilisée lorsque la chambre de combustion est celle d'un four qui fonctionne pratiquement à la pression atmosphérique. En général, les dispositifs d'alimentation en oxygène et en hydrogène sous pression transmettent des gaz à une pression comprise entre 1,1 et

2,0 fois environ la pression de l'air ou d'autres gaz pré-

sents dans la chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène au moment de l'entrée des gaz. La pression différentielle peut être ainsi comprise entre une.fraction de bar (0,35 à 0,7 bar) et une valeur de l'ordre de 140 bars dans le cas

d'un moteur diesel, mettant en oeuvre des pressions maxima-

les dans les cylindres qui peuvent être de l'ordre de 100 bars.

Ces pressions peuvent être déterminées par tout-dispositif connu de compression, par exemple des compresseurs, des

pompes ou un électrolyseur sous pression.

Dans le cas des véhicules en particulier, il est

souhaitable qu'un système embarqué d'alimentation en hydro-

gène et en oxygène 13 soit utilisé comme indiqué sur la fi-

gure 1. Le stockage à bord du véhicule peut être réalisé

sous forme gazeuse comprimée ou dans un liquide cryogénique.

Un stockage chimique, par exemple celui de l'hydrogène sous

forme d'un hydrure métallique, de type connu, convient aus-

si. Un dispositif 133 d'alimentation en hydrogène et en oxygène est avantageusement un électrolyseur d'eau. Un électrolyseur qui convient est un dispositif monopolaire ou bipolaire à électrolyte alcalin, par exemple fabriqué par Electrolyzer Corporation Ltd., Toronto, Canada et Teledyne

Energy Systems, Timonium, Maryland ou un système d'électro-

lyse à électrolyte polymère solide SPE de General Electric Company. L'eau consommée est transmise au dispositif 133

par une alimentation 110 et l'énergie nécessaire à l'élec-

trolyse est transmise au dispositif 133 par une alimenta-

tion 109 en énergie qui peut être formée par toute batterie

d'accumulateurs ou tout autre dispositif générateur d'éner-

gie électrique. Un tel dispositif qui convient est une gé-

nératrice entraînée par le moteur, ou un dispositif géné-

rateur d'électricité par récupération de l'énergie de frei-

nage ou par récupération de l'énergie des gaz d'échappement,

par exemple un appareil de détente à turbine ou un appa-

reil à cycle de Rankine à récupération, ou tout autre dis-

positif de récupération ou de conservation de l'énergie,

utilisé seul ou en combinaison. On connaît divers électro-

lyseurs d'eau et des électrolyseurs embarqués pour véhicules, déjà proposés et expérimentés, conviennent selon l'invention qui n'assurent la consommation que de quantités relativement faibles d'oxygène et d'hydrogène. La quantité d'hydrogène utilisée selon l'invention, par rapport à l'énergie chimique

fournie par l'hydrogène et le combustible ou carburant pri-

maire, est comprise entre environ 0,5 et 15 % de l'énergie totale de l'hydrogène et du combustible primaire, le reste d'énergie nécessaire venant de ce combustible. Des quantités d'énergie provenant d'hydrogène comprises entre 1 et 8 % environ du total sont avantageuses. La quantité d'oxygène

fournie peut être celle qui correspond à l'oxydation stoe-

chiométrique de l'hydrogène et dans ce cas seuls des produits

chauds de combustion sont transmis dans la chambre de com-

bustion du combustible principal pour l'allumage de ce der-

nier; la quantité d'oxygène peut être inférieure à la

quantité stoechiométrique et dans ce cas un excès d'hydro-

gène, en plus des produits de combustion chauds, est trans-

mis à la chambre de combustion et facilite la combustion du combustible ou carburant primaire; la quantité d'oxygène peut aussi être supérieure à la quantité stoechiométrique et dans ce cas, une partie de l'oxygène en excès est transmise avec les produits chauds de combustion dans la chambre et

facilite l'oxydation du combustible primaire.

Le dispositif d'alimentation en combustible pri-

maire comprend une soupape 105 de réglage, une source 113 de ce combustible ou carburant et un dispositif d'injection correspondant. La soupape 105 est de préférence d'un type commandé électroniquement ou mécaniquement et réglant la

quantité et la transmission successive du carburant pri-

maire par la canalisation 115 d'alimentation, mélangeant

ce carburant à l'air transmis par le dispositif 116 d'ali-

mentation en air afin que le système 14 de combustion re- çoive un mélange ayant le rapport voulu du carburant à

l'air, par l'intermédiaire du dispositif 117 d'alimenta-

tion. Comme indiqué précédemment, le système 14 de com-

bustion peut être tout système à combustion interne ou ex-

terne assurant la combustion du carburant primaire ou prin-

cipal qui peut être un hydrocarbure gazeux, liquide ou so-

lide ou un autre combustible autre que l'hydrogène tel que le gaz naturel, les produits de remplacement du gaz naturel,

le gaz liquéfié de pétrole, l'essence, le kérosène, le car-

burant diesel, d'autres combustibles correspondant à des distillats moyens, des huiles résiduelles, des alcools tels que le méthanol et l'éthanol, l'ammoniac, des dérivés d'huiles végétales, le charbon, la tourbe ou autres. La

-source 113 de combustible primaire transmet ces combusti-

bles ou leur mélange et assure les traitements préalables

convenant avant la transmission à la soupape 105. L'expres-

sion "combustible primaire" ou "carburant primaire" utilisée dans le présent mémoire désigne un combustible ou carburant

autre que l'hydrogène et qui constitue la matière qui four-

nit la plus grande partie de l'énergie chimique utilisée

pour la conversion d'énergie dans le système 14. La combus-

tion principale de ce combustible primaire a lieu dans le système 14. Une partie ou la totalité de ce combustible

primaire peut être transmise par la soupape 105 au dispo-

sitif 114 d'alimentation afin qu'il soit introduit direc-

tement dans le dispositif il d'amorçage de la réaction

thermochimique de combustion de l'hydrogène et de l'oxygène.

On note sur les figures 1 et 2 que le dispositif d'amorçage selon l'invention comporte des parois délimitant une chambre allongée de combustion d'hydrogène et d'oxygène

et ayant une première extrémité fermée et une seconde ex-

trémité qui communique avec la chambre de combustion du combustible primaire du système de combustion, un dispositif

d'alimentation en hydrogène sous pression comprenant la sou-

pape de réglage d'hydrogène, la source d'hydrogène et le

dispositif d'injection d'hydrogène transmettant un gaz con-

tenant de l'hydrogène à la chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène, un dispositif d'alimentation en oxygène sous

pression ayant une soupape de réglage, une source et un dis-

positif d'injection d'oxygène, transmettant un gaz contenant

de l'oxygène à la chambre de combustion d'oxygène et d'hy-

drogène, un dispositif d'allumage comprenant un dispositif de réglage ou de commande, une source d'énergie d'allumage et un élément d'allumage transmettant l'énergie d'allumage à la première extrémité fermée de la chambre de combustion

d'hydrogène et d'oxygène afin que le mélange formé à l'inté-

rieur s'allume et que les produits de combustion s'échappent par la seconde extrémité de la chambre de combustion du

combustible primaire, un dispositif d'alimentation en com-

bustible primaire ayant une soupape de réglage, une source

de combustible primaire et un dispositif d'injection trans-

mettant le combustion primaire à la chambre de combustion de ce combustible, le combustible primaire étant allumé par les produits de combustion de l'oxygène et de l'hydrogène provenant de leur chambre de combustion, et un dispositif de commande de la communication coordonnée du système de

combustion, du dispositif d'allumage, de la soupape de ré-

glage d'hydrogène, de la soupape de réglage d'oxygène et de la soupape de réglage de combustible primaire, afin que l'allumage et la transmission d'hydrogène et d'oxygène

au dispositif d'amorçage et du combustible primaire au sys-

tème de combustion soient réglés en quantité et dans le temps.

La figure 2 représente un mode de réalisation de

dispositif 11 d'amorçage de combustion par réaction thermo-

chimique de l'hydrogène et de l'oxygène et un moteur à combustion interne à piston, du type à carburateur ou à

injecteur de carburant par la lumière-de la soupape d'ad-

mission, utilisé par exemple pour la propulsion des véhicules.

Les parois 126 du cylindre et le piston 131 appartiennent au

seul cylindre représenté du moteur. La chambre 127 de com-

bustion du carburant primaire reçoit ce dernier par un con-

duit 117 d'alimentation en mélange air-carburant, sous la commande de la soupape 128 d'admission. Un carburateur ou un système 118 d'injection de carburant peut être utilisé

pour la transmission du mélange convenable de carburant pri-

maire et d'air dans le conduit 117. Après la combustion dans la chambre 127, les gaz d'échappement peuvent sortir lors de l'ouverture de la soupape 129 d'échappement qui communique avec le conduit 130 d'échappement. Le dispositif 107 de coordination du système de combustion est représenté sous forme d'une commande 101 de coordination qui dépend de

la position du vilebrequin du moteur.

La figure 2 représente un dispositif 11 d'amorçage par réaction thermochimique de l'hydrogène et de l'oxygène qui comporte une chambre 124 de combustion d'hydrogène et d'oxygène, délimitée par des parois 123 et un dispositif 122 d'allumage placé à une première extrémité, des orifices étant formés à l'extrémité externe et faisant communiquer la chambre 124 de combustion d'hydrogène et d'oxygène avec la chambre 127 de combustion du carburant primaire. Comme indiqué sur la figure 2, 'L'hydrogène est le seul carburant

transmis à la chambre 124 par le conduit 120 d'alimentation.

L'oxygène parvient à cette chambre 124 par le conduit 119.

Le dispositif 122 d!allumage est représenté sous forme d'une

bougie alimentée en énergie électrique par un dispositif 121.

L'hydrogène brûle dans la chambre 124 et les produits d'oxy-

dation à température élevée passant par les orifices 125 dans la chambre 127 de combustion afin qu'ils fournissent l'énergie d'allumage du carburant primaire. Lorsque la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène s'effectue dans la chambre 124, des températures élevées pouvant atteindre 3300'C, peuvent être obtenues et les produits gazeux de la

combustion provenant de la chambre 124 peuvent être accé-

lérés à grande vitesse pouvant atteindre 3000 m/s, avant injection dans la chambre de combustion ou une chambre de traitement préalable.du carburant primaire, l'allumage et la combustion du carburant primaire étant alors rapides et

réguliers dans la chambre 127. Les orifices 125 sont desti-

nés à disperser les produits de la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène dans toute la chambre 127. L'admission des produits gazeux chauds de combustion d'hydrogène et d'oxy-

gène par les orifices 125 est réglée en fonction de la vi-

tesse, de la direction et de la répartition générale afin que le mélange, l'allumage et la combustion du carburant

primaire et de l'air soient efficaces.

Le procédé d'amorçage de la combustion par réaction thermochimique d'hydrogène et d'oxygène selon l'invention comprend la transmission d'hydrogène et d'oxygène dans une

chambre de combustion qui communique avec la chambre de com-

bustion d'un carburant ou combustible primaire d'un système de combustion, l'allumage et la combustion importante de l'hydrogène dans cette chambre de combustion, la transmission - des produits chauds de la combustion de l'hydrogène de cette

chambre à la chambre de combustion d'un combustible ou car-

burant primaire, et la transmission de carburant primaire

dans cette dernière chambre, les produits chauds de la com-

bustion de l'hydrogène provoquant l'allumage du combustible

ou carburant primaire.

La figure 3 représente un autre mode de réalisation de dispositif Il d'amorçage par réaction thermochimique de l'hydrogène et de l'oxygène dans lequel une partie au moins du carburant primaire est directement admise dans la chambre 124 de combustion d'hydrogène et d'oxygène par un conduit 114 d'entrée. Du carburant primaire supplémentaire peut aussi pénétrer dans la chambre de combustion 127 du

carburant primaire par l'intermédiaire d'un système classi-

que 118 à carburateur ou d'injection et d'un conduit 115 d'alimentation. La figure 3 indique aussi que la chambre

124 de combustion de l'hydrogène et de l'oxygène a une ex-

trémité ouverte 132 qui communique avec la chambre 127 de combustion du carburant primaire. Ce mode de réalisation est particulièrement utile lorsqu'une partie importante ou la totalité du carburant primaire est transmise à la chambre

24î8?40

124 de com]Dustion d'hydrogène et d'oxygène en vue d'un chiuf-

fage, d'un traitement chimique, d'un mélange et d'un allumage par les produits de la combustion de l'hydrogène. Cependant, dans le mode de réalisation de la figure 3, la combustion principale du carburant primaire a lieu, avec de l'air dans

la chambre-127.

La figure 4 représente un autre mode de réalisation

de dispositif 11 d'amorçage de la Conlibustionpar réaction thermo-

chimique de l'hydrogène et de l'oxygène selon l'invention.

Dans ce mode de réalisation, la chambre 124 de combustion de l'hydrogène et de l'oxygène communique par des orifices 125 avec une partie de la chambre 127 de combustion du carburant

primaire, cette partie constituant.une chambre 134 de traite-

ment préalable. Cette dernière communique par son extrémité ouverte 135 avec le volume principal de la chambre 127. Dans le mode de réalisation de la figure 4, l'hydrogène brûle avec l'oxygène dans la chambre 124 comme décrit en référence

à la figure 2 et une partie ou la totalité du carburant pri-

maire pénètre par le conduit 114 dans une chambre annulaire

136 d'injection de carburant primaire et passe dans les ori-

fices 137 afin qu'il soit en contact intime avec les pro-

duits de combustion de l'hydrogène et se mélange à ceux-ci lorsqu'ils passent de la chambre 124 aux orifices 125. Le mélange chaud du carburant primaire ayant subi un traitement chimique et des produits-de combustion provenant de la chambre 124 circule à l'extrémité ouverte 135 de la chambre de traitement préalable et pénètre dans la chambre 127 dans

laquelle le carburant primaire brûle avec l'air. Du car-

burant primaire supplémentaire peut être transmis à la chambre 127 par un conduit 115 par l'intermédiaire d'un

système classique 118 à carburateur ou d'injection de car-

burant. Ce mode de réalisation est particulièrement avanta-

geux lorsque le carburant primaire doit subir un traitement préalable, notamment une atomisation, une vaporisation, une

oxydation partielle et un hydrocraquage réalisé sous l'ac-

tion des produits chauds de la combustion de l'hydrogène,

pouvant en outre contenir de l'hydrogène ou de l'oxygène.

Bien qu'on ait décrit les modes de réalisation des figures 2, 3 et 4 en référence à un système de combustion formé par un moteur à combustion interne, on note facilement que les soupapes 128 et 129 et le piston 131 peuvent être supprimés et que la chambre 127, munie d'un dispositif convenable de préparation et de combustion de combustible, peut constituer la chambre de combustion d'un four ou d'une chaudière fixe à charbon ou à huile lourde. Dans ce cas, le conduit 130 d'échappement se trouve avantageusement à l'autre

extrémité de la chambre 127 de combustion.

La figure 5 est un diagramme synoptique d'un mode de réalisation avantageux de mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'un véhicule. Le dispositif 11 d'amorçage de combustion par réaction thermochimique de l'hydrogène et de l'oxygène est couplé à un moteur 14 à combustion interne de la manière décrite précédemment. Du carburant primaire est conservé dans un dispositif ou réservoir 18 de stockage et il est transmis au dispositif 11 d'amorçage et/ou au

moteur 14 par un conduit 114. L'hydrogène et l'oxygène par-

viennent au dispositif il d'amorçage par l'intermédiaire

d'un dispositif 120 d'injection d'hydrogène et d'un dispo-

sitif 119 d'injection d'oxygène respectivement. L'hydrogène et l'oxygène sont fournis par un électrolyseur 16 et sont conservés dans un accumulateur 19 d'hydrogène sous pression et un accumulateur 20 d'oxygène sous pression. Un réservoir embarqué d'eau 17 transmet de l'eau à l'électrolyseur 16 alors qu'un appareil générateur 15 qui peut être une dynamo

ou un alternateur muni d'un redresseur, transmet de l'élec-

tricité à l'électrolyseur 16. L'appareil générateur 15 peut être entrainé directement par couplage au moteur 14 o il peut être couplé au système de récuparation des gaz d'échappement du moteur, au système de freinage à récupération ou à tout autre système de récupération ou

de conservation d'énergie comme décrit précédemment. L'ap-

plication de l'appareil et du procédé selon l'invention à un véhicule est un mode de réalisation avantageux étant donné la faible consommation d'hydrogène et d'oxygène comparée à celle des sïstèmes connus embarqes ue 'oebxs::ion associés à l'addition d'hydrogène à des carburants ou combustibles

classiques, dans des moteurs.

Le procédé et l'appareil selon l'invention augmen-

tent le rendement thermique du système de combustion par un allumage mieux réglé, une combustion plus complète et mieux réglée, un fonctionnement global avec un mélange plus

pauvre, surtout dans les systèmes mettant en oeuvre le cy-

cle d'Otto, par un dégagement de chaleur mieux optimisé

pendant la phase de combustion et par simplification du des-

sin de la chambre de combustion qui forme une chambre unique dans lesmoteurs diesel et à charge stratifiée, sans que des

chambres divisées soient nécessaires.

Les émissions du système de combustion mettant en

oeuvre l'appareil et le procédé selon l'invention sont ré-

duites du fait d'une combustion plus complète, d'une sup-

pression de la formation des oxydes d'azote due à la réduc-

tion des températures locales élevées et de la réduction

* des particules formées par le traitement du carburant pri-

maire dans la chambre de traitement préalable.

L'invention facilite l'utilisation de combustibles ou carburants de remplacement, étant donné l'allumage plus puissant et plus direct du combustible primaire, si bien que des carburantsAà faible indice de cétane peuvent être

brtlés dans les moteurs diesel. L'invention permet une com-

bustion effective et efficace des combustibles brûlant dif-

ficilement par mise en oeuvre du dispositif d'allumage très

puissant à base d'une combustion ou par injection des com-

bustibles dans la chambre de traitement préalable ou la

chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène, grâce au trai-

tement préalable du combustible primaire par les produits de,

combustion de l'hydrogène dans l'oxygène avant l'introduc-

tion dans le système de combustion.

Les hommes du métier peuvent facilement mettre en oeuvre l'invention à la lecture de la description qui pré-

cède. Un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'amorçage de la combustion par réaction thermochimique

de l'hydrogène et de l'oxygène selon l'invention est cons-

titué par les applications des moteurs diesel pour automo-

biles de faible puissance. Un problème posé couramment par les moteurs à carburant diesel des véhicules est qu'ils provoquent des émissions de particules qui sont de 30 à 80

fois la quantité de particules émises par des moteurs équi-

valents consommant de l'essence. Le procédé et l'appareil selon l'invention permettent la réduction de ces émissions de particules dans les moteurs diesel de faible puissance à une valeur équivalant à celle que donnent les moteurs à essence ou même à une plus faible valeur, avec cependant

la même économie de carburant ou même une plus grande éco-

nomie. Le procédé et l'appareil selon l'invention améiio-

rent en outre le démarrage à froid et le bruit de fonction-

nement du moteur diesel de faible puissance, et permettent l'utilisation de carburants à plus faible indice de cétane que ceux qu'on utilise actuellement dans les moteurs diesel

des véhicules.

La figure 4 représente un exemple de dispositif d'amorçage de la combustion par réaction thermochimique l'hydrogène et de l'oxygène selon l'invention à un moteur diesel pour automobile de faible puissance. Dans ce mode de réalisation, la position du vilebrequin du moteur est transmise mécaniquement par des chaînes, des arbres ou des pignons de synchronisation au dispositif 101 de commande qui

coordonne l'injection d'hydrogène et d'oxygène, la transmis-

sion d'énergie d'allumage et la transmission du carburant diesel en fonction des quantités nécessaires au moteur, dans toute la plage de vitesses et de charges de fonctionnement,

indiquée au moteur par la pédale d'accélération. La synchro-

nisation de l'introduction d'hydrogène et d'oxygène et de

la transmission d'énergie d'allumage à la chambre de com-

bustion d'hydrogène et d'oxygène est obtenue mécaniquement par combinaison de la rotation du vilebrequin du moteur et de la position de l'accélérateur. Cette synchronisation peut en outre être régléeà l'aide de dispositifs sensibles à la

vitesse du moteur, par exemple des mécanismes d'avance cen-

trifuge. Les soupapes de réglage d'hydrogène et d'oxygène

sont commandées mécaniquementpar un arbre rotatif coulis-

sant et aussi destiné à fermer périodiquement le contact électrique d'allumage d'une bougie ou de façon continue par une bougie de chauffage, afin que l'hydrogène et l'oxygène

et l'allumage soient transmis de façon convenable à la cham-

bre de combustion d'hydrogène et d'oxygène. Ces deux gaz sont transmis à la chambre de combustion avec un rapport stoechiométrique d'une partie en poids d'hydrogène pour 8 parties en poids d'oxygène. La combustion de l'hydrogène et de l'oxygène est déclenchée par la bougie d'allumage ou de réchauffage formée dans la chambre.lorsque le piston arrive à l'extrémité de sa course, si bien que le volume de la

chambre de combustion du carburant primaire est minimal.

La combustion de l'hydrogène et de l'oxygène dans la chambre

correspondante forme de la vapeur d'eau partiellement dis-

sociée à des températuresde l'ordre de 3040'C. Les produits de combustion de l'hydrogène, ayant beaucoup d'énergie, sont évacués par les orifices vers la partie de traitement préalable du carburant de la chambre de combustion alors que du carburant diesel primaire est injecté simultanément dans

la chambre de traitement préalable comme indiqué sur la fi-

gure 4 afin qu'il provoque une interaction vigoureuse pro-

voquant la vaporisation totale, le traitement chimique et

l'allumage thermique du carburant diesel primaire qui se dé-

tend et passe dans la partie principale de sa chambre de combustion qui contient le piston du moteur. De l'air est

introduit pour la combustion du carburant diesel dans la par-

tie principale de la chambre de combustion de celui-ci si

bien que la combustion a lieu régulièrement et totalement.

Le mécanisme de combustion de gouttelettes de carburant diesel dans une chambre classique de combustion provoquant

normalement la formation d'émissions particulaires est to-

talement évité au cours de cette combustion. La course de puissance du piston du moteur ayant été déclenchée de cette

manière, les différentes opérations du cycle de fonctionne-

ment comprenant la détente, l'échappement, l'admission et la

compression, sônt exécutées de manière classique. Les pres-

sions d'injection du carburant diesel sont de l'ordre de à 245 bars puisqu'une atomisation très poussée n'est pas nécessaire dans l'opération d'injection elle-même. Les mo- teurs diesel classiques pourautomobiles mettent en oeuvre des pressions d'injection de carburant de l'ordre de 840 à 1200 bars afin que l'atomisation nécessaire aux combustions dans les moteurs actuellement utilisés soient obtenue.Dans ce mode de réalisation particulier, utilisant un moteur

dieselpour automobile, l'invention met en oeuvre les sous-

ensembles représentés sur la figure 5. Une dynamo est directe-

ment entraînée par le moteur diesel et elle peut aussi être

aidée par une source d'énergie électrique telle qu'un appa-

reil auxiliaire générateur entraîné par un système de ré-

cupération de l'énergie des gaz d'échappement ou un appareil

générateur auxiliaire entraîné par un système de récupéra-

tion électrique de l'énergie de freinage. L'électrolyseur d'eau est un électrolyseur sous pression à électrolyte polymère solide de General Electric Company, comme indiqué précédemment. Un réservoir convenable de stockage d'eau qui

peut transmettre suffisamment d'eau sous pression à l'élec-

trolyseur est aussi utilisé. Un accumulateur d'hydrogène gazeux sous pression et un accumulateur d'oxygène gazeux sous pression ayant des transducteurs, des circuits et des dispositifs de traitement d'informations de type convenable sont aussi utilisés pour la coordination du fonctionnement du système. Des quantités initiales d'hydrogène et d'oxygène nécessaires à la mise en route du moteur et au début de la période de réchauffage sont transmises par les accumulateurs

respectifs sous pression. Lorsque ces réactifs sont utilisés,.

les pressions dans les accumulateurs diminuent et un mano-

contact signale qu'une augmentation d'électricité transmise par l'appareil générateur doit être accrue si bien que la charge du moteur augmente. Cette électricité parvient à l'électrolyseur qui forme immédiatement de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux à pression élevée, et le débit d'eau vers l'électrolyseur à partir du réservoir est réglé par une pompe volumétrique à haute pression. Les accumulateurs sont ainsi

maintenus à la pression voulue lorsque l'hydrogène et l'oxy-

gène sont transmis au moteur.

Le dispositif d'amorçage par réaction thermochi-

mique décrit dans son application à un moteur diesel d'au-

tomobile réduit les émissions particulaires à des valeurs comparables à celles que donnent les moteurs à essence du

fait de l'amélioration du processus de combustion du car-

burant diesel et de l'élimination du mécanisme de formation de particules lors de l'allumage et de la combustion de

gouttelettes de carburant dans les moteurs diesel actuels.

Le dispositif selon l'invention permet la suppression des chambres divisées actuellement utilisées et l'utilisation d'une chambre ouverte de combustion à injection directe si bien que le rendement du carburant peut être accru d'environ à 20 %. Cette amélioration fait plus que compenser le carburant utilisé pour la création d'électricité qui alimente l'électrolyseur. La chaleur de combustion d'hydrogène et d'oxygène, disponible à température élevée et instantanément

dès la mise en route du moteur, réduit les problèmes de dé-

marrage à froid du moteur. Le bruit du moteur et les charges

internes indésirables dues aux retards d'allumage qui provo-

quent de très grandes augmentations de la pression dans la chambre dans les moteurs diesel classiques d'automobiles, sont beaucoup réduits par l'allumage direct, régulier et à très grande énergie assuré par les produits de combustion de l'hydrogène. Comme le moteur diesel selon l'invention ne nécessite pas un allumage par compression et étant donné la chaleur transmise directement à haute température par la

combustion de l'hydrogène, les carburants utilisables peu-

vent avoir un indice réduit de cétane.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples

non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (33)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'amorçage de combustion par réaction thermochimiqued'hydrogène et d'oxygène, caractérisé en ce

qu'il comprend des parois (123) délimitant une chambre a'-

longée (124) de combustion d'hydrogène et d'oxygène, ayant

une première extrémité fermée et une seconde extrémité com-

muniquant avec une chambre (127) de combustion de combustible d'un système de combustion (14), une alimentation en hydrogène sous pression comprenant une soupape (104) de réglage, une source (112) et un dispositif (120) d'injection d'hydrogène, transmettant un gaz contenant de l'hydrogène à la chambre

(124) de combustion d'hydrogène et d'oxygène, une alimenta-

tion en oxygène sous pression comprenant une soupape (103)

de réglage, une source (111) et un dispositif (119) d'in-

jection transmettant un gaz contenant de l'oxygène à la chambre (124) de combustion d'hydrogène et d'oxygène, un

dispositif d'allumage comprenant une chambre (102) d'allu-

mage, une source (108) d'allumage et un élément d'allumage (122) transmettant de l'énergie d'allumage à la première

extrémité fermée de la chambre (124) de combustion d'hydro-

gène et d'oxygène afin que le mélange d'hydrogène et d'oxy-

gène contenu dans la chambre s'enflamme, les produits de combustion formés étant transmis par la seconde extrémité à la chambre (127) de combustion de combustible primaire,

une alimentation en combustible primaire comprenant une sou-

pape (105) de réglage, une source (113) et un dispositif (118) d'injection transmettant du carburant primaire à la

chambre (127) de combustion de celui-ci, le carburant pri-

maire étant allumé par les produits de combustion provenant de la chambre (124) de combustiond'hydrogène et d'oxygène,

et une commande reliée de manière qu'elle assure la coordi-

nation du système de combustion (14), du dispositif d'al-

lumage (102), de la soupape (104) de réglage d'hydrogène, de la soupape (103) de réglage d'oxygène et de la soupape

(105) de réglage de combustible primaire afin que l'allu-

mage, l'hydrogène et l'oxygène nécessaires au dispositif d'amorçage par réaction thermochimique et le carburant

24Z874,O

primaire nécessaires au système de combustion (14) soient

transmis en quantités et aux moments opportuns.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation en combustible primaire comporte en outre un second dispositif (114) d'injection de combustible primaire transmettant une partie du combustible primaire à la

chambre (124) de combustion d'hydrogène et d'oxygène.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2,

caractérisé en ce que la chambre (127) de combustion du combustible primaire comporte en outre des parois délimitant une chambre de traitement préalable (134) qui communique avec la seconde extrémité de la chambre (124) de combustion

d'hydrogène et d'oxygène d'un premier côté et avec la cham-

bre (127) de combustion de combustible primaire de l'autre côté, l'alimentation en combustible primaire transmettant celui-ci uniquement à la chambre de traitement préalable

de la chambre de combustion de combustible primaire.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2,

caractérisé en ce que la chambre (127) de combustion de com-

bustible primaire comporte en outre des parois délimitant-

une chambre (134) de traitement préalable qui communique avec la seconde extrémité de la chambre (124) de combustion

d'hydrogène et d'oxygène d'un premier côte et avec la cham-

bre (127) de combustion de combustible primaire-de l'autre

côté, et le dispositif d'alimentation en combustible primai-

re comporte en outre un troisième dispositif (114) d'injec-

tion de combustible primaire transmettant une partie au

moins de celui-ci à la chambre de traitement préalable.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

1 à 4, caractérisé en ce que les sources d'oxygène et d'hy-

drogène sont formées par un électrolyseur (16) d'eau.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'énergie électrique destinée à l'électrolyseur

(16) est fournie par un appareil (15) générateur d'électri-

cité, entraîné par le système de combustion (14).

7. Dispositif selon la revendication,5, caractérisé en ce que l'énergie électrique destinée à l'électrolyseur (16) d'eau-est transmise par un système de récupération

d'énergie de freinage porté par un véhicule.

8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'énergie électrique destinée à l'électrolyseur d'eau (16) est transmise par un dispositif de récupération d'énergie des gaz d'échappement monté à la sortie de la

chambre de combustion.

9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé

en ce que la source d'énergie d'allumage comprend un appa-

reil générateur d'énergie électrique.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé

en ce que l'élément d'allumage comporte une bougie d'allu-

mage ou de réchauffage.

11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de combustible primaire

est un carburateur.

12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de combustible primaire

comporte au moins une tuyère d'injection.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

1 à 4, caractérisé en ce que les sources d'oxygène et d'hy-

drogène sont sous forme d'un électrolyseur (16) d'eau, le dispositif d'allumage comporte au moins une bougie d'allumage (122) ou de réchauffage, et le dispositif d'injection de

combustible primaire est un carburateur.

14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications

1 à 4, caractérisé en ce que les sources d'oxygène et d'hy-

drogène sont sous forme d'un électrolyseur (16) d'eau, le dispositif d'allumage comporte au moins une bougie d'allumage (122) ou de réchauffage, et le dispositif d'injection de

combustible primaire est au moins une tuyère d'injection.

15. Procédé d'amorçage de combustion par réaction ther-

mochimique d'hydrogène et d'oxygène, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission d'hydrogène et d'oxygène à une

chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène qui cormuni-

que avec la chambre de combustion d'un combustible primaire d'un système de combustion, l'allumage et la combustion de l'hdyrogène dans la chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène, la transmission des produits chauds de combustion de l'hydrogène de la chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène à la chambre de combustion de combustible primaire, et la transmission d'un combustible primaire dans la chambre de combustion de combustible primaire, les produits chauds de combustion de l'hydrogène provoquant l'allumage du

combustible primaire.

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission de quantités sensiblement stoechiométriques d'hydrogène et d'oxygène permettant la

combustion d'hydrogène dans la chambre de combustion d'hy-

drogène et d'oxygène.

17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la quantité d'hydrogène transmise à la chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène est supérieure à la quantité stoechiométrique nécessaire à la combustion avec

l'oxygène transmis.

18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la quantité d'hydrogène transmise à la chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène est inférieure à la quantité stoechiométrique nécessaire à la combustion avec

l'oxygène transmis.

19. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en

ce qu'une partie au moins du combustible primaire est trans-

mise à la chambre de combustion d'hydrogène et d'oxygène.

20. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le combustible primaire n'est transmis qu'à une chambre de traitement préalable de la chambre de combustion

de combustible primaire, cette chambre de traitement pré-

alable ayant un côté qui communique avec la chambre de com-

bustion d'hydrogène et d'oxygène et son autre côté qui com-

munique avec la chambre de combustion de combustible primaire.

21. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en

ce qu'une partie du combustible primaire est en outre trans-

mise à une chambre de traitement préalable de la chambre de

combustion de combustible primaire, cette chambre de trai-

tement préalable ayant un-côté qui communique avec la cham-

bre de combustiond'hydrogène et d'oxygène et son autre côté qui communique avec la chambre de combustion de combustible primaire.

22. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que le combustible primaire transmis à la chambre de combustion de combustible primaire ne- parvient qu'à une

chambre de traitement préalable de cette chambre de combus-

tible primaire, la chambre de traitement préalable ayant un

côté qui communique avec la chambré de combustion d'hydro-

gène et d'oxygène et un autre côté qui communique avec la

chambre de combustion de combustible primaire.

23. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en

ce que la combustion du combustible primaire dans la cham-

bre de combustion s'effectue sensiblement en régime perma-

nent.

24. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en

ce que la combustion du combustible primaire dans la cham-

bre de combustion est cyclique.

25. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le combustible primaire est choisi dans le groupe qui comprend le gaz naturel, les produits de remplacement du gaz naturel, le gaz liquéfié de pétrole, l'essence, le kérosène,

le carburant diesel, les combustibles formés par des distil-

lats moyens, les huiles résiduelles, les alcools, les dérivés

d'huiles végétales, le charbon et la tourbe.

26. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la chambre de combustion du combustible primaire est

pratiquement à la pression atmosphérique.

27. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la chambre de combustion du combustible primaire est

à une pression élevée comprise entre environ 1 et 300 bars.

28. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'hydrogène et l'oxygène sont tournis par eîeutiulybe

2478740

d 'eau.

29. Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce que l'électricité d'électrolyse de l'eau est formée par un appareil générateur d'électricité entraîné par le système de combustion.

30. Procédé selon la revendication 29, caractérisé en

ce que l'électricité est produite par un système de récupé-

ration d'énergie de freinage d'un véhicule.

31. Procédé selon la revendication 29, caractérisé en

ce que l'électricité est produite par un système de récupé-

ration de l'énergie des gaz d'échappement.

32. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'hydrogène est transmis en.quantité comprise entre

environ 0,5 et 15 % de l'énergie chimique tirée de l'hy-

drogène et du combustible primaire au total.

33. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'hydrogène est transmis en quantité correspondant à 1 à 8 % environ de l'énergie chimique tirée au total de

l'hydrogène et du combustible primaire.