FR3136514A1 - Reciprocating internal combustion engine of pure ammonia NH3 - Google Patents
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Abstract
La présente invention s’inscrit dans la production d’énergie thermique décarbonée. Elle a pour objet un moteur alternatif à 2 temps à bas taux de compression fortement turbocompressé conçu pour brûler de l’ammoniac pur sans faire appel à un gaz promoteur de combustion. Elle s’appuie sur le sous balayage du cylindre pour stratifier la température d’un milieu réactif issu du mélange d’une masse fraîche carburée et d’une masse brûlée recyclée qui accède à l’auto-allumage par compression sans risque de détonation avec un taux de compression réduit. Figure pour l’abrégé : Figure 2The present invention is part of the production of carbon-free thermal energy. Its purpose is a highly turbocharged, low compression ratio 2-stroke reciprocating engine designed to burn pure ammonia without using a combustion promoter gas. It relies on the under-scanning of the cylinder to stratify the temperature of a reactive medium resulting from the mixture of a fresh carburized mass and a recycled burnt mass which achieves self-ignition by compression without risk of detonation with a reduced compression ratio. Figure for abstract: Figure 2
Description
L’invention concerne le domaine de la production d’énergie thermique décarbonée.The invention relates to the field of carbon-free thermal energy production.
Le réchauffement climatique condamnera les hydrocarbures au profit de combustibles décarbonés, tels l’hydrogène et l’ammoniac, pour alimenter les moteurs à combustion interne. Les difficultés de stockage de l’hydrogène favoriseront l’ammoniac pour les transports et la production d’électricité décentralisée.Global warming will condemn hydrocarbons in favor of carbon-free fuels, such as hydrogen and ammonia, to power internal combustion engines. The difficulties of storing hydrogen will favor ammonia for transport and decentralized electricity production.
Les moteurs alternatifs à combustion interne brûlent des hydrocarbures en phase gazeuse via le mécanisme de la propagation d’un front de flammes où les produits déjà brûlés diffusent dans les produits frais pour porter ces derniers à leur température d’auto-allumage qui déclenche les réactions en chaînes de la combustion vive. La lenteur de la diffusion gazeuse handicape le rendement thermique des moteurs alternatifs par la durée angulaire de la combustion qui produit un travail négatif avant le point mort haut des pistons et des gaz insuffisamment détendus après le dit point mort haut. La très basse vitesse de flamme de l’ammoniac aggrave ce problème au point de devoir mélanger l’ammoniac avec de l’hydrogène pour initier une combustion stable.Reciprocating internal combustion engines burn hydrocarbons in the gas phase via the mechanism of the propagation of a flame front where the products already burned diffuse into the fresh products to bring the latter to their self-ignition temperature which triggers the reactions in chains of live combustion. The slowness of gas diffusion handicaps the thermal efficiency of reciprocating engines by the angular duration of combustion which produces negative work before the top dead center of the pistons and insufficiently expanded gases after said top dead center. The very low flame speed of ammonia compounds this problem to the point where ammonia must be mixed with hydrogen to initiate stable combustion.
Pour atteindre le rendement optimal de la combustion à volume constant du cycle Otto, on a cherché à concentrer la combustion autour du point mort haut via le concept HCCI (Homogeanous Charge Compression Ignition). Ce procédé de combustion sans flamme consiste à chauffer par compression un mélange carburé homogène jusqu’à sa température d’auto-allumage. Contrairement à l’échauffement surfacique progressif d’un front de flammes, ce procédé d’échauffement volumique déclenche l’auto-allumage simultanément dans toute la charge carburée avec le risque d’une détonation destructrice pour le moteur. On a tenté, sans succès, de casser l’homogénéité du milieu réactif en y stratifiant la concentration locale de carburant ou en y ajoutant des gaz brûlés recyclés refroidis. Cet échec était prévisible compte tenu du rôle prédominant de la température du milieu réactif dans la cinétique chimique, température peu modifiée par la stratification spatiale de la concentration locale du carburant. Outre le risque de détonation, pour atteindre la haute température d’auto-allumage de l’ammoniac pur, ce procédé supposerait un taux de compression volumétrique irréaliste supérieur à 35/1.To achieve the optimal efficiency of constant volume combustion of the Otto cycle, we sought to concentrate combustion around the top dead center via the HCCI (Homogeanous Charge Compression Ignition) concept. This flameless combustion process consists of heating a homogeneous fuel mixture by compression to its auto-ignition temperature. Unlike the progressive surface heating of a flame front, this volume heating process triggers auto-ignition simultaneously throughout the entire fuel charge with the risk of a destructive detonation for the engine. We tried, without success, to break the homogeneity of the reactive medium by stratifying the local concentration of fuel or by adding cooled recycled burnt gases. This failure was predictable given the predominant role of the temperature of the reactive medium in chemical kinetics, a temperature little modified by the spatial stratification of the local fuel concentration. In addition to the risk of detonation, to achieve the high auto-ignition temperature of pure ammonia, this process would require an unrealistic volumetric compression ratio greater than 35/1.
Pour remédier aux problèmes précités, l’objet de la présente invention est un moteur alternatif à 2 temps sous- balayé pour recycler une masse de gaz brûlés (N2+H2O) dont l’énergie interne initie la combustion de l’ammoniac pur et dont la masse chimiquement inerte limite la température maximale du cycle.To remedy the aforementioned problems, the object of the present invention is an underbrushed 2-stroke reciprocating engine for recycling a mass of burnt gases (N2+H2O) whose internal energy initiates the combustion of pure ammonia and whose the chemically inert mass limits the maximum temperature of the cycle.
Afin d’éliminer la détonation, l’invention concerne un moteur alternatif à combustion interne fonctionnant sur le cycle à 2 temps dont chaque cylindre reçoit à chaque cycle une masse fraîche MA d’un mélange isotherme d’air comburant et d’un gaz combustible qui remplace la masse des gaz brûlés au cycle précédent caractérisé en ce qu’une masse chaude MB de gaz brûlés retenue dans le cylindre diffuse dans la totalité de la masse fraîche MA, pendant la phase d’échange des gaz et la phase de compression, pour former un mélange réactif totalement stratifié en températures dont la strate isotherme la plus chaude atteint sa température d’auto-allumage sous l’effet de sa compression par le piston avant son point mort haut et dont les strates isothermes moins chaudes atteignent successivement leur température d’auto-allumage sous l’effet de leur compression consécutive à la dilatation thermique des strates isothermes déjà brûlées.In order to eliminate detonation, the invention relates to a reciprocating internal combustion engine operating on the 2-stroke cycle, each cylinder of which receives at each cycle a fresh mass MA of an isothermal mixture of combustion air and a combustible gas which replaces the mass of gases burned in the previous cycle characterized in that a hot mass MB of burned gases retained in the cylinder diffuses throughout the fresh mass MA, during the gas exchange phase and the compression phase, to form a reactive mixture totally stratified in temperatures of which the hottest isothermal stratum reaches its self-ignition temperature under the effect of its compression by the piston before its top dead center and of which the less hot isothermal strata successively reach their temperature self-ignition under the effect of their compression following the thermal expansion of the isothermal strata already burned.
L’invention concerne également un procédé de fonctionnement d’un tel moteur.The invention also relates to a method of operating such an engine.
La température et la concentration massique de gaz combustible peuvent être identiques en tous points de la masse fraîche MA afin d’uniformiser la température des gaz issus de la combustion.The temperature and mass concentration of combustible gas can be identical at all points of the fresh mass MA in order to standardize the temperature of the gases resulting from combustion.
La strate isotherme la plus froide du mélange réactif peut atteindre sa température d’auto-allumage après le point mort haut du piston afin de limiter la pression et la température maximales du cycle.The coldest isothermal stratum of the reactive mixture can reach its auto-ignition temperature after the top dead center of the piston in order to limit the maximum pressure and temperature of the cycle.
L’étendue surfacique des strates isothermes du mélange réactif peut diminuer quand leur température augmente afin de conférer une progressivité au taux de dégagement de chaleur de la combustion.The surface extent of the isothermal strata of the reactive mixture can decrease when their temperature increases in order to provide progressiveness to the rate of heat release from combustion.
La strate la plus chaude du milieu réactif peut être située près du centre de la chambre de combustion et contre un piston calorifugé afin de conférer une progressivité au taux de dégagement de chaleur de la combustion et de limiter les fuites thermiques vers le corps du piston.The hottest stratum of the reactive medium can be located near the center of the combustion chamber and against a heat-insulated piston in order to provide progressiveness to the rate of heat release from combustion and to limit thermal leaks towards the piston body.
Un capteur peut être situé dans un cylindre pour transmettre en permanence la position angulaire de la combustion par rapport au point mort haut du piston à un ordinateur de contrôle moteur qui pilote des actionneurs agissant sur les températures des strates isothermes du mélange réactif pour placer ladite position angulaire sur une valeur conforme à une cartographie du champ couple/vitesse de fonctionnement du moteur stockée dans la mémoire de l’ordinateur.A sensor can be located in a cylinder to permanently transmit the angular position of the combustion relative to the top dead center of the piston to an engine control computer which controls actuators acting on the temperatures of the isothermal strata of the reactive mixture to place said position angular on a value consistent with a map of the torque/motor operating speed field stored in the computer memory.
Les températures des strates isothermes du mélange réactif stratifié peuvent être pilotées via le rapport MB/MA des masses retenues dans le cylindre.The temperatures of the isothermal layers of the stratified reactive mixture can be controlled via the MB/MA ratio of the masses retained in the cylinder.
Les températures des strates isothermes du mélange réactif stratifié peuvent être pilotées via le taux de compression effectif du piston qui comprime le mélange MA+MB.The temperatures of the isothermal strata of the stratified reactive mixture can be controlled via the effective compression ratio of the piston which compresses the MA+MB mixture.
Un capteur sensible à la pression des gaz peut détecter la position angulaire de la pression maximale du cycle qui coïncide avec la fin de la combustion conforme à l’invention.A sensor sensitive to gas pressure can detect the angular position of the maximum pressure of the cycle which coincides with the end of combustion according to the invention.
L’ordinateur de contrôle moteur peut agir sur les températures des strates isothermes du mélange réactif stratifié en pilotant individuellement ou collectivement certains des actionneurs ci-après : des déphaseurs d’arbre à cames, des distributeurs de turbine à section variable, des by-pass de turbine à section variable, des by-pass de réfrigérant d’air à section variable.The engine control computer can act on the temperatures of the isothermal layers of the stratified reactive mixture by individually or collectively controlling some of the following actuators: camshaft phase shifters, variable section turbine distributors, by-passes turbine with variable area, air refrigerant bypasses with variable area.
Ledit moteur peut comporter plusieurs cylindres identiques munis d’orifices d’échappement et de tuyères d’admission fermés selon une chronologie qui comporte successivement : au voisinage du point mort bas du piston, l’ouverture simultanée des orifices d’échappement suivie par l’ouverture simultanée des tuyères d’admission ; entre le point mort bas et le point mort haut du piston , la fermeture simultanée des tuyères d’admission suivie par la fermeture simultanée des orifices d’échappement, l’ordinateur de contrôle moteur pilotant l’angle de fermeture des orifices d’échappement pour positionner la combustion en modulant simultanément le rapport MB/MA et le taux de compression effectif du mélange réactif stratifié MA+MB.Said engine may comprise several identical cylinders provided with exhaust ports and intake nozzles closed according to a chronology which successively comprises: in the vicinity of the bottom dead center of the piston, the simultaneous opening of the exhaust ports followed by the simultaneous opening of the intake nozzles; between bottom dead center and top dead center of the piston, the simultaneous closing of the intake nozzles followed by the simultaneous closing of the exhaust ports, the engine control computer controlling the closing angle of the exhaust ports to position the combustion by simultaneously modulating the MB/MA ratio and the effective compression ratio of the stratified reactive mixture MA+MB.
Ledit moteur peut comporter plusieurs cylindres munis de tuyères d’admission reliées à un plénum d’admission pressurisé à une pression PA, et munis d’orifices d’échappement reliés à un plénum d’échappement pressurisé à une pression PE inférieure à PA, les plénums étant suffisamment volumineux par rapport au volume de gaz transféré à chaque cycle pour que PA et PE soient sensiblement constantes en régime stabilisé quand le couple et la vitesse de rotation du moteur sont constants afin que les écoulements soient identiques dans tous les cylindres.Said engine may comprise several cylinders provided with intake nozzles connected to an intake plenum pressurized at a pressure PA, and provided with exhaust ports connected to an exhaust plenum pressurized at a pressure PE less than PA, the plenums being sufficiently voluminous in relation to the volume of gas transferred at each cycle so that PA and PE are substantially constant in stabilized regime when the torque and the speed of rotation of the engine are constant so that the flows are identical in all the cylinders.
Chaque cylindre peut être fermé, d’une part, par la face plane d’une culasse axisymétrique comportant une tuyère d’admission axiale formée autour d’une soupape d’admission et quatre orifices d’échappement périphériques identiques disposés en carré autour de la tuyère d’admission et fermés par des soupapes synchrones, et d’autre part, par la face d’un piston axisymétrique formée pour renvoyer le jet d’air carburé issu de la tuyère d’admission vers la culasse afin de structurer une stratification thermique axisymétrique.Each cylinder can be closed, on the one hand, by the flat face of an axisymmetric cylinder head comprising an axial intake nozzle formed around an intake valve and four identical peripheral exhaust orifices arranged in a square around the intake nozzle and closed by synchronous valves, and on the other hand, by the face of an axisymmetric piston formed to return the jet of carbureted air coming from the intake nozzle towards the cylinder head in order to structure thermal stratification axisymmetric.
La face du piston peut être recouverte par un bouclier thermique qui échange sa chaleur avec le jet d’air carburé pour annuler le flux thermique vers le corps du piston.The face of the piston can be covered by a heat shield which exchanges its heat with the jet of carbureted air to cancel the heat flow towards the piston body.
Les soupapes d’échappement et la soupape d’admission peuvent être actionnées par des arbres à cames reliés à l’arbre moteur via un dispositif déphaseur pilotable commun pour positionner la combustion dans le cycle.The exhaust valves and the intake valve can be actuated by camshafts connected to the engine shaft via a common controllable phase shifter to position the combustion in the cycle.
Les soupapes d’échappement peuvent être actionnées par des arbres à cames reliés à l’arbre moteur via un dispositif déphaseur commun et la soupape d’admission peut être actionnée par un arbre à cames relié mécaniquement à l’arbre moteur via un deuxième dispositif déphaseur pilotable en fonction du régime de rotation du moteur.The exhaust valves can be actuated by camshafts connected to the engine shaft via a common phase shifter device and the intake valve can be operated by a camshaft mechanically connected to the engine shaft via a second phase shifter device controllable depending on the engine rotation speed.
Le plénum d’admission peut être alimenté en air comburant par un turbocompresseur haute pression HP via un réfrigérant d’air HP et le plénum d’échappement peut alimenter en gaz brûlés une turbine HP du turbocompresseur HP dont la section débitante du distributeur est pilotée par l’ordinateur de contrôle moteur pour régler la richesse du mélange carburé dans le plénum d’admission mesurée par une sonde à oxygène immergée dans les gaz d’échappement, conformément à une cartographie du champ couple/vitesse de fonctionnement du moteur stockée dans la mémoire de l’ordinateur.The intake plenum can be supplied with combustion air by a high pressure HP turbocharger via an HP air refrigerant and the exhaust plenum can supply burnt gas to an HP turbine of the HP turbocharger whose flow section of the distributor is controlled by the engine control computer to adjust the richness of the fuel mixture in the intake plenum measured by an oxygen probe immersed in the exhaust gas, in accordance with a map of the torque/engine operating speed field stored in the memory from the computer.
Le moteur peut comporter une turbine de travail située entre le plénum d’échappement et la turbine HP afin de compléter le bas taux de détente des gaz par le piston.The engine may include a working turbine located between the exhaust plenum and the HP turbine to supplement the low gas expansion rate by the piston.
Le moteur peut comporter un turbocompresseur basse pression BP dont le compresseur alimente le compresseur HP en air comburant via un réfrigérant d’air BP et dont la turbine BP est alimentée par les gaz brûlés issus de la turbine HP afin d’augmenter le taux de suralimentation du moteur.The engine may include a low pressure LP turbocharger whose compressor supplies the HP compressor with combustion air via a LP air refrigerant and whose LP turbine is powered by the burnt gases coming from the HP turbine in order to increase the supercharging rate. of the motor.
L’ordinateur de contrôle moteur peut piloter simultanément un déphaseur d’arbre à cames d’échappement et la section débitante du distributeur de la turbine HP pour positionner la combustion et fixer la richesse dans le plénum d’admission conformément à une cartographie stockée dans sa mémoire.The engine control computer can simultaneously control an exhaust camshaft phase shifter and the flow section of the HP turbine distributor to position the combustion and fix the richness in the intake plenum in accordance with a map stored in its memory.
La course des pistons peut être voisine du diamètre des cylindres pour avoir des sections d’orifices compatibles avec la cylindrée, le gaz combustible de la masse MA étant l’ammoniac NH3 pour ne pas émettre du CO2, le rapport MB/MA étant supérieur à 0,70 pour atteindre la température d’auto-allumage avec un taux de compression volumétrique effectif des pistons compris entre 3 et 5 et un taux de détente volumétrique compris entre 7 et 9.The stroke of the pistons can be close to the diameter of the cylinders to have orifice sections compatible with the cylinder capacity, the combustible gas of mass MA being ammonia NH3 so as not to emit CO2, the MB/MA ratio being greater than 0.70 to reach the auto-ignition temperature with an effective piston volumetric compression ratio between 3 and 5 and a volumetric expansion ratio between 7 and 9.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente divulgation apparaîtront dans la description détaillée suivante, se référant aux dessins annexés dans lesquels :Other characteristics and advantages of the present disclosure will appear in the following detailed description, referring to the appended drawings in which:
Bien entendu la divulgation n'est nullement limitée au(x) mode(s) de réalisation décrit(s) à titre illustratif, non limitatif.Of course, the disclosure is in no way limited to the embodiment(s) described by way of illustration, not limitation.
Ainsi, la clé de l’invention est l’élimination de la détonation d’une charge carburée homogène qui a ruiné les espoirs suscités par la combustion HCCI à la fin du siècle dernier. Elle ouvre la voie de l’auto-allumage rapide par compression à des combustibles difficilement inflammables en élevant le niveau thermique du milieu réactif par d’autres moyens que la compression pure. Elle permet en prime de réduire la production d’oxydes d’azote en diluant le milieu réactif sans réduire la température de début de combustion.Thus, the key to the invention is the elimination of the detonation of a homogeneous fuel charge which ruined the hopes raised by HCCI combustion at the end of the last century. It opens the way to rapid self-ignition by compression of difficult-to-ignite fuels by raising the thermal level of the reactive medium by means other than pure compression. As a bonus, it makes it possible to reduce the production of nitrogen oxides by diluting the reactive medium without reducing the combustion start temperature.
L’invention atteint ses trois objectifs en construisant, dans un cylindre de moteur à 2 temps sous-balayé, un milieu réactif intégralement stratifié en température par mélange d’une masse fraîche carburée isotherme MA avec une masse chaude MB de gaz brûlés retenue dans le cylindre. L’invention s’appuie sur les lois de la cinétique chimique qui régissent l’oxydation d’un mélange combustible en phase gazeuse stipulant que la vitesse des réactions croit exponentiellement avec la température locale. L’effet exponentiel de la température fait que l’échauffement volumique par compression d’un milieu réactif stratifié en température déclenche un front d’auto-allumage qui circule contre le gradient des températures entre sa strate isotherme la plus chaude et sa strate isotherme la plus froide jusqu’à l’épuisement du combustible.The invention achieves its three objectives by constructing, in an under-flushed 2-stroke engine cylinder, a reactive medium fully stratified in temperature by mixing a fresh isothermal carbureted mass MA with a hot mass MB of burnt gas retained in the cylinder. The invention is based on the laws of chemical kinetics which govern the oxidation of a combustible mixture in the gas phase stipulating that the speed of the reactions increases exponentially with the local temperature. The exponential effect of temperature means that the volume heating by compression of a reactive medium stratified in temperature triggers a self-ignition front which circulates against the temperature gradient between its hottest isothermal stratum and its hottest isothermal stratum. colder until the fuel runs out.
La vitesse de déplacement du front d’auto-allumage dépend du gradient de température et de la richesse de la strate active. La vitesse du front est toujours subsonique compte tenu de la température élevée du milieu réactif et ne produit donc pas d’onde de choc.The speed of movement of the self-ignition front depends on the temperature gradient and the richness of the active stratum. The speed of the front is always subsonic given the high temperature of the reactive medium and therefore does not produce a shock wave.
L’objet de l’invention est donc un moteur alternatif à combustion interne fonctionnant sur le cycle à 2 temps dont chaque cylindre reçoit à chaque cycle une masse fraîche isotherme MA d’un mélange d’air comburant et d’un gaz combustible qui remplace la masse des gaz brûlés au cycle précédent caractérisé en ce qu’une masse chaude MB de gaz brûlés retenue dans le cylindre diffuse dans la totalité de la masse fraîche MA, pendant la phase d’échange des gaz et la phase de compression, pour former un mélange réactif totalement stratifié en températures dont la strate isotherme la plus chaude atteint sa température d’auto-allumage sous l’effet de sa compression par le piston avant son point mort haut PMH et dont les strates isothermes moins chaudes atteignent successivement leur température d’auto-allumage sous l’effet de leur compression consécutive à la dilatation thermique des strates isothermes déjà brûlées.The object of the invention is therefore an alternative internal combustion engine operating on the 2-stroke cycle, each cylinder of which receives at each cycle a fresh isothermal mass MA of a mixture of combustion air and a combustible gas which replaces the mass of gases burned in the previous cycle characterized in that a hot mass MB of burned gases retained in the cylinder diffuses throughout the fresh mass MA, during the gas exchange phase and the compression phase, to form a reactive mixture totally stratified in temperatures of which the hottest isothermal stratum reaches its self-ignition temperature under the effect of its compression by the piston before its top dead center TDC and of which the less hot isothermal strata successively reach their temperature d self-ignition under the effect of their compression following the thermal expansion of the isothermal strata already burned.
Le procédé de l’invention n’est plus opérant après le PMH quand la détente volumétrique du piston surpasse la dilatation thermique due à la combustion. Néanmoins, à la puissance maximale du moteur, il est possible de terminer la combustion après le PMH compte tenu que, quand l’échauffement par compression devient insuffisant pour porter les strates les plus froides au seuil d’auto-allumage, la diffusion du front d’auto-allumage dans les produits frais peut compléter l’échauffement issu de la compression.The process of the invention is no longer effective after TDC when the volumetric expansion of the piston exceeds the thermal expansion due to combustion. However, at maximum engine power, it is possible to terminate combustion after TDC taking into account that, when the heating by compression becomes insufficient to bring the coldest strata to the self-ignition threshold, the diffusion of the front self-ignition in fresh products can supplement the heating resulting from compression.
La combustion est optimale quand la concentration de combustible dans la masse fraîche MA est constante afin d’uniformiser la température de fin de combustion dans le cylindre. Afin de contrôler la concentration massique de carburant à l’échelle moléculaire de la chimie, l’invention préconise que la carburation de la masse MA s’effectue dans un plénum d’admission de volume suffisant pour que la diffusion du gaz combustible dans l’air comburant ait le temps de parvenir à l’équilibre thermodynamique. La stratification thermique selon l’invention génère ainsi dans le milieu réactif un gradient inverse de concentration massique de carburant qui homogénéise la température finale de combustion. En effet, les strates les plus chaudes riches en gaz brûlés et pauvres en carburant subissent un faible échauffement chimique, quand les strates les moins chaudes pauvres en gaz brûlés et riches en carburant subissent un fort échauffement chimique. Cette homogénéité des températures de combustion optimise la puissance du cycle et élimine les points chauds générateurs d’oxydes d’azote.Combustion is optimal when the concentration of fuel in the fresh mass MA is constant in order to standardize the end-of-combustion temperature in the cylinder. In order to control the mass concentration of fuel at the molecular scale of chemistry, the invention recommends that the carburization of the mass MA takes place in an intake plenum of sufficient volume so that the diffusion of the combustible gas in the combustion air has time to reach thermodynamic equilibrium. The thermal stratification according to the invention thus generates in the reactive medium an inverse gradient of fuel mass concentration which homogenizes the final combustion temperature. Indeed, the hottest strata rich in burnt gases and poor in fuel undergo weak chemical heating, while the cooler strata poor in burnt gases and rich in fuel undergo strong chemical heating. This homogeneity of combustion temperatures optimizes the power of the cycle and eliminates hot spots that generate nitrogen oxides.
Les températures de fin de compression étant proportionnelles aux températures de début de compression, l’invention permet d’accéder à l’auto-allumage de tous les combustibles, quel que soit le taux de compression effectif du milieu réactif et la température d’auto-allumage du carburant, en pilotant le rapport MB/MA des masses retenues dans le cylindre avant leur compression.The end of compression temperatures being proportional to the start of compression temperatures, the invention makes it possible to auto-ignite all fuels, regardless of the effective compression ratio of the reactive medium and the auto-ignition temperature. -ignition of the fuel, by controlling the MB/MA ratio of the masses retained in the cylinder before their compression.
Le ballast chimiquement inerte de gaz brûlés recyclés MB qui stationne dans le cylindre conserve son énergie interne à l’exception de fuites thermiques aux parois. Au cours des cycles compression-détente il cède de l’énergie interne au milieu réactif pour initier la combustion et la récupère simultanément en diluant ladite combustion pour limiter la température finale. Le rendement thermique du cycle est ainsi optimisé par une combustion complète, rapide et non détonante qui s’exécute à volume sensiblement constant au voisinage du PMH.The chemically inert ballast of recycled burnt gas MB which is stationed in the cylinder retains its internal energy with the exception of thermal leaks in the walls. During compression-expansion cycles it transfers internal energy to the reactive medium to initiate combustion and recovers it simultaneously by diluting said combustion to limit the final temperature. The thermal efficiency of the cycle is thus optimized by complete, rapid and non-detonating combustion which takes place at a substantially constant volume near TDC.
La géographie de la stratification thermique du milieu réactif définit la loi de dégagement de chaleur en fonction du temps. Le dégagement instantané d’énergie est proportionnel à l’étendue surfacique et à la richesse de la strate isotherme en cours d’auto-allumage. La stratification selon l’invention où les strates les plus chaudes qui s’allument les premières sont aussi les moins riches en carburant confère une progressivité structurelle au dégagement de chaleur indépendamment de l’évolution des étendues surfaciques des strates isothermes en fonction de leur température qui constitue le paramètre principal régissant la loi de dégagement d’énergie. Pour optimiser la progressivité du dégagement de chaleur, l’étendue surfacique des strates isothermes doit donc diminuer quand leur température augmente. Le positionnement de la zone la plus chaude du milieu réactif au centre de la chambre de combustion satisfait à cet impératif. De plus, un positionnement de la zone la plus chaude contre un piston chaud recouvert d’un bouclier thermique réduit les pertes thermiques aux parois en retardant l’interaction de la flamme avec la paroi refroidie de la culasse et en réduisant le flux thermique vers le corps du piston.The geography of thermal stratification of the reactive environment defines the law of heat release as a function of time. The instantaneous release of energy is proportional to the surface area and the richness of the isothermal stratum being self-ignited. The stratification according to the invention where the hottest strata which ignite first are also the least rich in fuel gives a structural progressiveness to the release of heat independently of the evolution of the surface extents of the isothermal strata as a function of their temperature which constitutes the main parameter governing the law of energy release. To optimize the progressiveness of heat release, the surface extent of the isothermal strata must therefore decrease when their temperature increases. The positioning of the hottest zone of the reactive medium in the center of the combustion chamber satisfies this requirement. In addition, positioning the hottest zone against a hot piston covered with a heat shield reduces wall heat losses by delaying the interaction of the flame with the cooled wall of the cylinder head and reducing the heat flow towards the piston body.
La géographie de la stratification dépend de la position et de l’orientation des tuyères d’admission, de la position des orifices d’échappement et de la géométrie du cylindre et de la chambre de combustion limitée par le piston et la culasse. La géographie de la stratification dépend également des températures initiales de la masse fraîche MA et de la masse chaude MB, du rapport des deux masses MB/MA, de la turbulence du milieu réactif et de la durée de cohabitation des deux masses dans le cylindre qui fixe le taux d’avancement du mélange.The geography of the stratification depends on the position and orientation of the intake nozzles, the position of the exhaust ports and the geometry of the cylinder and the combustion chamber limited by the piston and the cylinder head. The geography of the stratification also depends on the initial temperatures of the fresh mass MA and the hot mass MB, the ratio of the two masses MB/MA, the turbulence of the reactive medium and the duration of cohabitation of the two masses in the cylinder which sets the mixing progress rate.
La stratification thermique s’initie naturellement dans un cylindre de moteur à 2 temps quand la masse fraîche MA balaye les gaz brûlés du cycle précédent. Au cours de ce transvasement rapide, la diffusion gazeuse qui se développe à la frontière entre les deux masses mises en contact n’a pas le temps d’atteindre l’équilibre thermodynamique et génère une zone mélangée stratifiée en température et en concentration de carburant.Thermal stratification is initiated naturally in a 2-stroke engine cylinder when the fresh mass MA sweeps away the burnt gases from the previous cycle. During this rapid transfer, the gas diffusion which develops at the boundary between the two masses brought into contact does not have time to reach thermodynamic equilibrium and generates a mixed zone stratified in temperature and fuel concentration.
Contrairement aux moteurs à 2 temps de l’art antérieur où l’échange des gaz est structuré pour minimiser le volume de la zone mélangée et où la fermeture du cylindre intervient quand la zone mélangée en est partiellement expulsée pour offrir à la combustion un air comburant aussi pur que possible, l’invention structure l’échange des gaz pour diffuser des gaz brûlés dans l’intégralité de la masse fraîche MA sans évacuer de l’air carburé vers l’échappement.Unlike 2-stroke engines of the prior art where the exchange of gases is structured to minimize the volume of the mixed zone and where the closing of the cylinder occurs when the mixed zone is partially expelled to provide combustion with combustion air as pure as possible, the invention structures the gas exchange to diffuse burnt gases throughout the fresh mass MA without evacuating carbureted air towards the exhaust.
Les objectifs contradictoires dans un cycle à 2 temps d’intensifier le mélange des gaz et d’éviter un by-pass admission-échappement impliquent la conception d’une architecture d’échange des gaz spécifique de l’invention avec l’aide d’une simulation numérique 3D de mécanique des fluides réactifs.The conflicting objectives in a 2-stroke cycle of intensifying gas mixing and avoiding an intake-exhaust bypass involve the design of a specific gas exchange architecture of the invention with the help of a 3D numerical simulation of reactive fluid mechanics.
L’invention comporte des moyens pour positionner la combustion de façon optimale au voisinage du point haut. A cet effet un capteur situé dans la chambre de combustion détecte en temps réel la position angulaire de la combustion. Ce capteur renseigne en permanence un ordinateur de contrôle moteur qui commande des actionneurs agissant sur le niveau thermique du milieu réactif, pour positionner l’auto-allumage à la fin de la course de compression conformément à une cartographie du champ couple/vitesse de fonctionnement du moteur stockée dans la mémoire de l’ordinateur.The invention includes means for positioning combustion optimally near the high point. To this end, a sensor located in the combustion chamber detects the angular position of the combustion in real time. This sensor permanently informs an engine control computer which controls actuators acting on the thermal level of the reactive medium, to position the auto-ignition at the end of the compression stroke in accordance with a map of the torque/operating speed field of the engine stored in computer memory.
Par exemple, un capteur sensible à la pression des gaz détecte la pression maximale du cycle qui coïncide avec la fin de combustion. Parmi les actionneurs qui agissent instantanément sur le niveau thermique du milieu réactif nous citerons à titre non limitatif, les déphaseurs d’arbre à came, les distributeurs de turbine à section débitante variable, les by-pass de turbine à section débitante variable, les bypass de réfrigérant d’air à section débitante variable.For example, a sensor sensitive to gas pressure detects the maximum pressure of the cycle which coincides with the end of combustion. Among the actuators which act instantly on the thermal level of the reactive medium we will cite, without limitation, camshaft phase shifters, turbine distributors with variable flow section, turbine by-passes with variable flow section, bypasses of air refrigerant with variable flow section.
Pour disposer d’un nombre maximal de paramètres pour contrôler le moteur, l’inventeur a choisi de poursuivre la description de l’invention dans l’architecture des moteurs à 4 temps où les orifices d’admission et d’échappement sont situés dans une culasse et sont obturés par des soupapes actionnées par des arbres à cames déphasables permettant de déconnecter le diagramme de distribution des gaz du déplacement des pistons, contrairement aux moteurs à balayage unicourant qui comportent des orifices situés dans l’épaisseur des cylindres obturés par les pistons.To have a maximum number of parameters to control the engine, the inventor chose to continue the description of the invention in the architecture of 4-stroke engines where the intake and exhaust ports are located in a cylinder head and are closed by valves actuated by phase-shifting camshafts making it possible to disconnect the gas distribution diagram from the movement of the pistons, unlike single-current scavenging engines which have orifices located in the thickness of the cylinders closed by the pistons.
Dans ce qui suit, l’invention est présentée dans son application préférée dans un groupe électrogène léger, pour le transport terrestre et maritime et pour la production décentralisée d’électricité, entrainé par un moteur turbocompressé turbo-compound à bas taux de compression carburé à l’ammoniac pur et tournant à vitesse constante. Cette application particulière exploite tous les avantages qui caractérisent l’invention.In the following, the invention is presented in its preferred application in a light generator, for land and maritime transport and for the decentralized production of electricity, driven by a turbo-compound turbocharged engine with a low compression ratio. pure ammonia and rotating at constant speed. This particular application exploits all the advantages which characterize the invention.
On se réfère maintenant à la
Un moteur de groupe électrogène (1) fonctionnant à 1500 tours par minute sur le cycle à 2 temps turbo-compound comporte 6 cylindres (2) en ligne qui allument successivement tous les 60 dv (degrés vilebrequin) pour séparer les échanges des gaz qui s’effectuent à travers des culasses.A generator engine (1) operating at 1500 revolutions per minute on the 2-stroke turbo-compound cycle has 6 cylinders (2) in line which successively fire every 60 dv (crankshaft degrees) to separate the exchange of gases which are carried out through cylinder heads.
Afin de garantir une aérodynamique interne identique dans tous les cylindres, les tuyères d’admission sont reliées à un plénum d’admission (3) pressurisé à une pression PA, et les orifices d’échappement sont reliés à un plénum d’échappement (4) pressurisé à une pression PE inférieure à PA. Les plénums sont suffisamment volumineux par rapport au volume de gaz transféré à chaque cycle pour que PA et PE soient sensiblement constantes en régime stabilisé à charge constante.In order to guarantee identical internal aerodynamics in all cylinders, the intake nozzles are connected to an intake plenum (3) pressurized to a pressure PA, and the exhaust ports are connected to an exhaust plenum (4 ) pressurized at a pressure PE lower than PA. The plenums are sufficiently large in relation to the volume of gas transferred at each cycle so that PA and PE are substantially constant in stabilized conditions at constant load.
On se réfère maintenant aux figures 3 et 4.We now refer to Figures 3 and 4.
Afin de garantir une aérodynamique interne axisymétrique, chaque cylindre est fermé, d’une part, par la face plane (5) d’une culasse axisymétrique comportant une tuyère d’admission axiale (6) formée autour d’une soupape d’admission (7) et quatre orifices d’échappement périphériques (8) identiques disposés en carré autour de la tuyère d’admission et fermés par des soupapes synchrones (9), et d’autre part, par la face (10) d’un piston axisymétrique formée pour renvoyer le jet d’air carburé (11) issu de la tuyère d’admission vers la culasse en diffusant dans les gaz brûlés pour structurer la stratification selon les isothermes décroissantes (22 ), (23), (24). La face du piston est recouverte par un bouclier thermique chaud qui échange sa chaleur avec le jet d’air carburé pour annuler le flux thermique vers le corps du piston.In order to guarantee axisymmetric internal aerodynamics, each cylinder is closed, on the one hand, by the flat face (5) of an axisymmetric cylinder head comprising an axial intake nozzle (6) formed around an intake valve ( 7) and four identical peripheral exhaust orifices (8) arranged in a square around the intake nozzle and closed by synchronous valves (9), and on the other hand, by the face (10) of an axisymmetric piston formed to return the jet of carbureted air (11) coming from the intake nozzle towards the cylinder head by diffusing into the burned gases to structure the stratification according to the decreasing isotherms (22), (23), (24). The piston face is covered by a hot heat shield which exchanges heat with the jet of carbureted air to cancel the heat flow to the piston body.
La course des pistons est égale au diamètre du cylindre à 180 mm pour disposer dans la culasse d’une section débitante des orifices de transfert compatible avec la cylindrée.The stroke of the pistons is equal to the diameter of the cylinder at 180 mm to provide in the cylinder head a flow section of the transfer ports compatible with the cylinder capacity.
Pour réduire au minimum la durée angulaire des ouvertures/fermetures des orifices, les soupapes sont rappelées sur leur siège par des ressorts pneumatiques (non représentés) et leurs sièges sont encastrés dans la culasse pour retarder l’ouverture effective des orifices pendant l’accélération des soupapes et avancer leur fermeture effective pendant la décélération des soupapes.To minimize the angular duration of opening/closing of the ports, the valves are returned to their seats by pneumatic springs (not shown) and their seats are recessed in the cylinder head to delay the effective opening of the ports during acceleration of the ports. valves and advance their effective closing during valve deceleration.
On se réfère maintenant à la
La soupape d’admission et les soupapes d’échappement sont fermées une fois par cycle par deux arbres à cames en tête (12) identiques synchronisés sur l’arbre moteur via un dispositif pilotable commun (non représenté) pour déphaser l’ensemble de la chronologie angulaire des transferts fixée par les arbres à cames. L’échange des gaz débute à l’ouverture OA de la tuyère d’admission qui suit l’ouverture simultanée OE des orifices d’échappement en fin de détente des gaz brûlés quand le piston ralentit au voisinage de son point mort bas PMB, et s’achève à la fermeture simultanée FE des orifices d’échappement qui suit la fermeture FA de la tuyère d’admission quand le piston s’est accéléré vers son point mort haut PMH et occupe une position P pilotée par le déphaseur commun des arbres à cames.The intake valve and the exhaust valves are closed once per cycle by two identical overhead camshafts (12) synchronized on the engine shaft via a common controllable device (not shown) to shift the entire angular chronology of transfers fixed by the camshafts. The exchange of gases begins at the opening OA of the intake nozzle which follows the simultaneous opening OE of the exhaust ports at the end of expansion of the burnt gases when the piston slows down near its bottom dead center BDC, and ends with the simultaneous closing FE of the exhaust ports which follows the closing FA of the intake nozzle when the piston has accelerated towards its top dead center TDC and occupies a position P controlled by the common phase shifter of the shafts cams.
Quand la tuyère d’admission et les orifices d’échappement sont ouverts simultanément la chute de pression PA-PE génère dans le cylindre un écoulement qui s’interrompt à la fermeture de la tuyère d’admission pour fixer la masse d’air carburée MA qui participera au cycle. Quand la section débitante des 4 orifices d’échappement est supérieure à 2,5 fois celle de la tuyère d’admission, la masse MA introduite dans le cylindre est proportionnelle à la durée temporelle d’ouverture de la tuyère d’admission qui ne varie pas avec le déphasage des arbres à cames.When the intake nozzle and the exhaust ports are opened simultaneously the PA-PE pressure drop generates a flow in the cylinder which is interrupted when the intake nozzle is closed to fix the mass of carbureted air MA who will participate in the cycle. When the flow section of the 4 exhaust ports is greater than 2.5 times that of the intake nozzle, the mass MA introduced into the cylinder is proportional to the temporal duration of opening of the intake nozzle which does not vary not with the phase shift of the camshafts.
Les gaz brûlés d’un cycle s’évacuent selon trois mécanismes successifs : entre OE et OA la surpression du cylindre se décharge brutalement dans jusqu’à la pression PE du plénum d’échappement ; entre OA et FA la charge fraîche chasse des gaz brûlés vers les orifices d’échappement qui s’ajoutent à ceux refoulés par le piston ; entre FA et FE, le piston poursuit seul le refoulement des gaz brûlés jusqu’à la fermeture du cylindre. A contrario de la masse MA qui ne dépend pas du déphasage des arbres à cames, la masse MA+MB retenue dans le cylindre et son taux de compression dépendent de la position P du piston à la fermeture du cylindre qui varie avec le déphasage des cames d’échappement. Il s’ensuit que le déphaseur des arbres cames, qui pilote la masse MA+MB dont MA reste constante, pilote simultanément le rapport MB/MA qui fixe la proportion de gaz brûlés dans le mélange stratifié et son taux de compression.The burnt gases of a cycle are evacuated according to three successive mechanisms: between OE and OA the overpressure of the cylinder is suddenly discharged up to the pressure PE of the exhaust plenum; between OA and FA the fresh charge expels burnt gases towards the exhaust ports which are added to those discharged by the piston; between FA and FE, the piston alone continues the delivery of the burned gases until the cylinder closes. Unlike the mass MA which does not depend on the phase shift of the camshafts, the mass MA+MB retained in the cylinder and its compression rate depend on the position P of the piston when the cylinder closes which varies with the phase shift of the cams exhaust. It follows that the camshaft phase shifter, which controls the mass MA+MB of which MA remains constant, simultaneously controls the MB/MA ratio which sets the proportion of gases burned in the stratified mixture and its compression ratio.
Pour conclure, le déphaseur des arbres à cames pilote simultanément et dans le même sens le taux de compression effectif de la masse MA+MB, et sa fraction de gaz brûlés MB/MA qui cumulent leurs effets sur le niveau thermique du milieu réactif en fin de compression. En pilotant le déphaseur des arbres à cames, l’ordinateur agit donc doublement sur le niveau thermique du milieu réactif pour régler la position de la combustion dans le cycle thermodynamique.To conclude, the camshaft phase shifter controls simultaneously and in the same direction the effective compression ratio of the mass MA+MB, and its fraction of burned gases MB/MA which combine their effects on the thermal level of the reactive medium at the end compression. By controlling the camshaft phase shifter, the computer therefore acts doubly on the thermal level of the reactive medium to adjust the position of combustion in the thermodynamic cycle.
On se réfère maintenant à la
Le plénum d’admission (3) est alimenté en air comburant via un carburateur (13) qui y diffuse le gaz combustible pour y uniformiser la température et la richesse locales. Le couple du moteur est piloté par le débit de combustible injecté dans le carburateur. Le rapport volumétrique est voisin de 7 et le taux de compression effectif est voisin de 4 pour accepter la pression d’admission voisine de 20 bars délivrée par deux turbocompresseurs travaillant en cascade sans excéder la pression maximale de 240 bars. Le plenum d’admission est alimenté en air comburant, via un réfrigérant d’air (14), par un turbocompresseur haute pression HP (15) entrainé en rotation par une turbine HP (16) alimentée en gaz brûlés par le plénum d’échappement (4) via une turbine de travail turbo-compound (17) qui complète la détente utile des gaz brûlés avortée par le piston. La turbine turbo-compound 17 peut être reliée mécaniquement via un réducteur 21 à l’arbre moteur ou à un alternateur auxiliaire. La section débitante du distributeur de la turbine HP est pilotable pour régler la richesse en combustible dans le plénum d’admission. Le turbocompresseur HP (15) est alimenté en air comburant via un réfrigérant d’air (18) par un turbocompresseur basse pression BP (19) entrainé en rotation par une turbine BP (20) alimentée en gaz brûlés par la turbine HP (16).The intake plenum (3) is supplied with combustion air via a carburetor (13) which diffuses the combustible gas there to standardize the local temperature and richness. Engine torque is controlled by the flow of fuel injected into the carburetor. The volumetric ratio is close to 7 and the effective compression ratio is close to 4 to accept the inlet pressure close to 20 bars delivered by two turbochargers working in cascade without exceeding the maximum pressure of 240 bars. The intake plenum is supplied with combustion air, via an air cooler (14), by a high pressure HP turbocharger (15) driven in rotation by an HP turbine (16) supplied with burnt gases by the exhaust plenum (4) via a turbo-compound working turbine (17) which completes the useful expansion of the burnt gases aborted by the piston. The turbo-compound turbine 17 can be mechanically connected via a reduction gear 21 to the motor shaft or to an auxiliary alternator. The flow section of the HP turbine distributor can be controlled to adjust the fuel richness in the intake plenum. The HP turbocharger (15) is supplied with combustion air via an air refrigerant (18) by a low pressure LP turbocharger (19) driven in rotation by a LP turbine (20) supplied with burnt gases by the HP turbine (16) .
L’enthalpie disponible dans le plénum d’échappement se partage entre le travail utile de la turbine turbo-compound et le travail des turbocompresseurs qui fixe la pression PA et la richesse dans le plénum d’admission. Une variation de la section débitante du distributeur de la turbine HP, qui modifie le taux de détente de la turbine de travail, modifie simultanément le travail des turbocompresseurs qui fixe la richesse dans le plénum d’admission. Le déphaseur des arbres à cames et le distributeur à section variable de la turbine HP sont les deux actionneurs qui permettent à l’ordinateur de piloter simultanément la position angulaire de la combustion et la richesse de la masse MA mesurée par une sonde à oxygène située dans les gaz d’échappement.The enthalpy available in the exhaust plenum is shared between the useful work of the turbo-compound turbine and the work of the turbochargers which sets the pressure PA and the richness in the intake plenum. A variation of the flow section of the HP turbine distributor, which modifies the expansion rate of the working turbine, simultaneously modifies the work of the turbochargers which fixes the richness in the intake plenum. The phase shifter of the camshafts and the variable section distributor of the HP turbine are the two actuators which allow the computer to simultaneously control the angular position of the combustion and the richness of the mass MA measured by an oxygen probe located in the exhaust gas.
Le fonctionnement du moteur à vitesse constante présente l’avantage d’exploiter les turbocompresseurs à leur rendement isentropique optimal et de simplifier la stratégie de contrôle moteur.Operating the engine at constant speed has the advantage of operating the turbochargers at their optimal isentropic efficiency and simplifying the engine control strategy.
La position de la turbine de travail en amont des turbines HP et BP optimise le rendement du moteur à charges partielles. En effet, les réductions du couple moteur commandées par le débit de combustible injecté dans le carburateur impactent successivement la vitesse de rotation du turbocompresseur BP puis celle du turbocompresseur HP avant d’impacter le taux de détente de la turbine de travail qui fixe le rendement thermique du cycle.The position of the working turbine upstream of the HP and LP turbines optimizes engine efficiency at partial loads. Indeed, the reductions in engine torque controlled by the flow of fuel injected into the carburetor successively impact the rotation speed of the LP turbocharger then that of the HP turbocharger before impacting the expansion rate of the working turbine which sets the thermal efficiency of the cycle.
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023242501A1 (en) | 2023-12-21 |
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