OA11767A - Procédé et dispositif de réchauffage thermique additionnel pour véhicule équipé de moteur dépollué à injection d'air comprimé additionnel. - Google Patents
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Description
1
PROCEDE ET DISPOSITIF DE RECHAUFFAGE THERMIQUE ADDITIONNELPOUR VEHICULE EQUIPE DE MOTEUR DEPOLLUE A INJECTION
D’ AIR COMPRIME ADDITIONNEL L’invention concerne les véhicules terrestres et plus particulièrement ceux équipés avecdes moteurs dépollués ou dépolluants à chambre de combustion indépendante ou non, fonctionnantavec injection d’air comprimé additionnel, et comportant un réservoir d’air comprimé hautepression. L’auteur a décrit dans sa demande de brevet publié WO 96/27737 un procédé dedépollution de moteur à chambre de combustion externe indépendante, fonctionnant suivant unprincipe bi-modes à deux types d’énergie, utilisant soit un carburant conventionnel tel essence ougasoil sur route (fonctionnement mono-mode à air-carburant), soit, à basse vitesse, notamment enzone urbaine et suburbaine, une addition d’air comprimé dans la chambre de combustion (ou toutautre gaz non polluant) à l’exclusion de tout autre carburau, (fonctionnement mono-mode à air,c’est-à-dire avec addition d’air comprimé). Dans sa demande de brevet FR 9607714, l’auteur adécrit l'installation de ce type de moteur en fonctionnement mono-mode, avec addition d’aircmufenané, sur les véhicules de services, par exemple des autobus urbains.
Dans ce type de moteur, en mode air-carburanL le mélange air carburant est aspiré et * coqpriné dans une chambre d’aspiration et de compression indépendante. Puis ce mélange esttransfiéré, toujours en pression, dans une chambre de combustion indépendante et à volumeconstant pour y être enflammé afin d’augmenter la température et la pression dudit mélange. Aprèsl'ouverture d’un transfert reliant ladite chambre de combustion ou d’expansion à une chambre dedétente et d’échappement, ce mélange sera détendu dans cette dernière pour y produire un travail.Les gaz détendus sont ensuite évacués à l’atmosphère à travers un conduit d’échappement.
En fonctionnement à air plus air comprimé additionnel qui nous intéresse plusparticulièrement dans le cadre de l’invention, à faible puissance, l’injecteur de carburant n’est pluscommandé ; dans ce cas, l’on introduit dans la chambre de combustion, sensiblement aprèsl’admission dans cette dernière de l’air comprimé -sans carburant- provenant de la chambred’aspiration et de compression, une petite quantité d’air comprimé additionnel provenant d’unréservoir externe où l’air est stocké sous haute pression, par exemple 200 bars, et à la températureambiante. Cette petite quantité d’air comprimé à température ambiante va s’échauffer au contact dela masse d’air à haute température contenue dans la chambre de combustion ou d’expansion, va sedilater et augmenter la pression régnant dans la chambre pour permettre de délivrer lors de ladétente un travail moteur.
Ce type de moteur bi-modes ou bi-énergies (air et essence ou air et air comprimé additionnel) peut également être modifié pour une utilisation préférentielle en ville par exemple sur tous véhicules et plus particulièrement sur des autobus urbains ou autres véhicules de services 117 6 7 2 (taxis bennes à ordures etc..), en mono-mode air-air comprimé additionnel, par suppression de tousles éléments de fonctionnement du moteur avec le carburant traditionnel.
Le moteur fonctionne seulement en mono-mode avec l’injection d’air compriméadditionnel dans la chambre de combustion qui devient ainsi une chambre d’expansion. En outre,l’air aspiré par le moteur peut être filtré et purifié à travers un ou plusieurs filtres à charbon ouautre procédé mécanique, chimique, tamis moléculaire, ou autres filtres afin de réaliser un moteurdépolluant. L’emploi du terme « air » dans le présent texte s’entend « tout gaz non polluant ».
Dans ce type de moteur, l’air comprimé additionnel est injecté dans la chambre decombustion ou d’expansion sous une pression d’utilisation déterminée en fonction de la pressionrégnant dans la chambre et sensiblement plus élevée que cette dernière, pour permettre sontransfert par exemple 30 bars. Pour ce faire il est utilisé un détendeur de type conventionnel quieffectue une détente sans travail n’absorbant pas de chaleur, donc sans abaissement de températurepermettant ainsi d’injecter dans la chambre de combustion ou d’expansion un air détendu (auenviron de 30 bars dans notre exemple) et à température ambiante.
Ce procédé d’injection d’air comprimé additionnel peut également être utilisé sur desmoteurs oonventionneis 2 ou 4 temps où ladite injection d’air comprimé additionnel est effectuéedans la chambre de combostten du moteur sensiblement an point ment haut allumage.
Le procédé suivant l’invention, propose une solution qui permet d’augmenter laquotité d'énergie utilisable et disponible. Il est caractérisé par les moyens mis en oeuvre et pluspaniculiêRxnent par te fait qne l’air comprimé, avant son introduction dans la chambre de«uuluBite· et/ou d’eaqnmsten, est canalisé dans un réchauffeur thermique où il va augmenter depression et/ou de vofaime, augmentant ainsi considérablement les performances pouvant êtreréalisées par 1e moteur. L’auteur a également décrit dans sa demande de brevet Nr 9700851 un procédé derécupération d’énergie thermique environnante pour ce type de moteur où l’air comprimé contenudans le réservoir de stockage sous très haute pression, par exemple 200 bars, et à températureambiante, par exemple 20 degrés, préalablement à son utilisation finale à une pression inférieurepar exemple 30 bars, est détendu à une pression proche de celle nécessaire à son utilisation finale,dans un système à volume variable, par exemple un piston dans un cylindre, produisant un travailqui peut être récupéré et utilisé par tous moyens connus, mécanique, électrique, hydraulique ouautre. Cette détente avec travail a pour conséquence de refroidir à très basse température, parexemple moins 100° C, l’air comprimé détendu à une pression proche de celle d’utilisation. Cet aircomprimé détendu à sa pression d’utilisation, et à très basse température est ensuite envoyé dans unéchangeur avec l’air ambiant, va se réchauffer jusqu’à une température proche de la températureambiante, et va augmenter ainsi sa pression et/ou son volume, en récupérant de l’énergie thermiqueempruntée à l’atmosphère.
Une autre caractéristique du procédé suivant l’invention, propose une solution faisant intervenir le procédé de récupération d’energie thermique qui vient d’être décrit ci-dessus, et qui
3 permet d’augmenter encore la quantité d’énergie utilisable et disponible. Il est caractérisé par lesmoyens mis en oeuvre et plus particulièrement par le fait que, l’air comprimé, après son passagedans l’échangeur thermique air air et avant son introduction dans la chambre de combustion estcanalisé dans un réchauffeur thermique où il va augmenter à nouveau de pression et/ou de volume 5 avant son introduction dans la chambre de combustion et/ou d’expansion, augmentant ainsiconsidérablement les performances pouvant être réalisées par le moteur. L’utilisation d’un réchauffeur thermique présente l’avantage de pouvoir utiliser descombustions continues propres qui peuvent être catalysées ou dépolluées par tous moyens connus,il peut être alimenté par un carburant conventionnel tel que essence gazole, gaz butane propane ou 10 GPL ou autre, de même qu’il peut utiliser des réactions chimiques et/ou de l’énergie électriquepour produire le réchauffage de l’air comprimé qui le traverse. L’homme de l’art peut calculer la quantité d’air très haute pression à fournir ausystème de détente avec travail, de même que les caractéristiques et volumes de ce dernier afind’obtenir en fin de cette détente avec travail et compte tenu de la puissance de réchauffage, la 15 pression d’utilisation finale choisie et la température la plus froide possible et ce, en fonction del’utilisation du moteur. Une gestion électronique des paramètres permet d’optimiser à tousmoments les quantités d’air comprimé utilisées, récupérées et réchauffées. L’homme de l'art peutégalement calculer le dimensionnement et les caractéristiques du réchauffeur thermique qui peutafifiser tous concepts connus dans ce domaine sans changer le procédé de l’invention. 20. Selon une autre caractéristique de l’invention, le réchauffeur thermique qui est utilisé pour réchauffa· de l’air comprimé provenant du réservoir de stockage haute pression, à travers lesystème de récupération d’énergie thermique ambiante ou non, est également utilisé,indépendamment ou en combinaison avec les deux solutions décrites ci-dessus c'est-à-diredirectement du réservoir de stockage ou à travers le récupérateur d’énergie thermique, pour 25 réchauffer de l’air comprimé prélevé dans la chambre d'aspiration et de compression du moteur,augmentant ainsi sa pression et/ou son volume avant de le réintroduire dans la chambre decombustion et/ou d’expansion pour permettre dans cette dernière un accroissement de la pressiondes gaz contenus dans ladite chambre avant la détente dans le cylindre de détente et d’échappementqui provoque le temps moteur. 30 L’air comprimé qui est envoyé dans le réchauffeur thermique provient du réservoir de stockage, du dispositif de récupération d’énergie thermique ambiante, d’un prélèvement dans lachambre d’aspiration et de compression séparément ou en combinaison, dans des proportionsdéterminées en fonction des conditions d’utilisation. D’autres buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtrons à la lecture de la 35 description à titre non limitatif de plusieurs modes de réalisations particulières faites en regard desdessins annexés où: - La figure 1 représente schématiquement, vu en coupe transversale, un moteurdépollué équipé d’un dispositif de réchauffageriiermique 4 117 6 7 - La figure 2 représente, vu en coupe transversale, un moteur dépollué avec récupération d’ énergie thermique ambiante équipé d'un dispositif de réchauffage thermique
La figure 3 représente, un moteur équipé d'un réchauffeur thermique en dérivationsur l’air comprimé par la chambre d’aspiration compression 5 - La figure 4 représente un moteur combinant les trois solutions.
La figure 1 représente, schématiquement, vu en coupe transversale, un moteur dépollué et son installation d’alimentation en air comprimé, comportant une chambre d’aspirationet de compression 1, une chambre de combustion ou d’expansion 2 à volume constant danslaquelle est implanté un injecteur d’air additionnel 22 alimenté en air comprimé stocké dans un 10 réservoir très haute pression 23 et une chambre de détente et d'échappement 4. La chambred’aspiration et de compression 1 est reliée à la chambre de combustion ou d’expansion 2 par unconduit S dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un volet étanche 6. La chambre decombustion ou d’expansion 2 est reliée à la chambre de détente et d’échappement 4 par un conduitou transfert 7 dont l’ouverture et la fermeture sont commandées par un volet étanche S. La 15 chambre d'aspiration et de compression 1 est alimentée en air par un conduit d’admission 13 donti'ouvature est commaadée par une soupape 14 et en amont duquel est implanté un filtre à charbondépoBuant 24.
La chambre d’aspiration et de compression 1 fonctionne comme un ensemble decompresseur à piston où un piston 9 coulissant dans un cylindre 10 est commandé par une bielle 11 20 et as» vflebreqoin 12. La chambre de détente et d’échappement 4 commande un ensemble classique de moteur à piston avec un piston 15 coulissant dans un cylindre 16, qui entraîne parl'intermédiaire d’une bielle 17 la rotation d’un vilebrequin 18. L’échappement de l’air détendus’effectuant à travers un conduit d’échappement 19 dont l'ouverture est commandée par unesoupape 20. La rotation du vilebrequin 12 de la chambre d’aspiration et de compression 1 est 25 commandée à travers une liaison mécanique 21 par le vilebrequin moteur 18 de la chambre dedétente et d’échappement 4.
Selon l'invention, entre le Téservoir de stockage haute pression 23 et une capacitétampon à pression finale d’utilisation quasi constante 43, est implanté sur le conduit 37A unréchauffeur thermique 56, constitué de brûleurs 57 qui vont augmenter considérablement la 30 température et donc la pression et/ou le volume de l’air comprimé en provenance du réservoiT 23(selon le sens des flèches F), lors de son passage dans le serpentin d’échange 58 pour permettre uneamélioration considérable des performances du moteur.
Le moteur est équipé sur la figure 2 d’un dispositif de récupération d’énergiethermique ambiante où la détente avec travail de l’air comprimé haute pression stocké dans le 35 réservoir 23 est réalisée dans un ensemble bielle 53 et piston de travail 54 attelé directement surl’arbre moteur 18. Ce piston 54 coulisse dans un cylindre borgne 55 et détermine une chambre detravail 35 dans laquelle débouche d’une part un conduit d’admission d'air haute pression 37 dont 5 1 1 6 ? l’ouverture et la fermeture sont commandées par une électrovanne 38, et d’autre part un conduitd’échappement 39 relié à l’échangeur thermique air air ou radiateur 41 lui-même relié par unconduit 42 à une capacité tampon à pression finale d’utilisation quasi constante 43. Lors dufonctionnement lorsque le piston de travail 54 est à son point mort haut, l’électrovanne 38 est 5 ouverte puis refermée afin d’admettre une charge d’air comprimé très haute pression qui va sedétendre en repoussant le piston 54 jusqu’à son point mort bas et entraîner par l’intermédiaire de labielle 53 le vilebrequin moteur 18. Lors de la course de remontée du piston 54, l’électrovanned’échappement 40 est alors ouverte et l’air comprimé mais détendu et à très basse températurecontenu dans la chambre de travail est refoulé (selon le sens de la flèche F) dans l’échangeur air air 10 ou radiateur 41. Cet air va ainsi se réchauffer jusqu’à une température proche de l’ambiante etaugmenter de volume en rejoignant la capacité tampon 43 en ayant récupéré une quantité d’énergienon négligeable dans l’atmosphère.
Selon l’invention, entre l’échangeur air air 41 et la capacité tampon 43, sur le conduit42A est implanté un réchauffeur thermique 56, constitué de brûleurs 57 qui vont augmenter 15 considérablement la température et donc la pression et/ou le volume de l’air comprimé enprovenance (selon le sens des flèches F) de l’échangeur air air 41 lors de son passage dans lesexpcslin d'échange 58
Selon «ne caractéristique de l’invention, Figure 3, le réchauffeur thermique 56 estnpfanté en dérivation de la chambre d’aspiration compression 1 d'où une partie de l'air de 20 comprimé par le piston 9 est dirigé (selon le sens des flèches F) vers le réchauffeur thermique 56 et lors de son passage dans le serpentin d’échange 58 réchauffé par les brûleurs 57, il va augmenterde pression et/ou de volume avant d’être introduit dans la capacité tampon 43 et d’être injecté parl’injecteur 22 dans la chambre de combustion et/ou d’expansion 2.
La figure 4 représente vue schématiquement un dispositif combinant les trois 25 dispositifs décrits sur les figures 1 et 2 et 3, les brûleurs 57 du réchauffeur thermique 56réchauffent simultanément une partie de l’air comprimé par le piston 9 de la chambre d’aspirationet de compression 1 dans un serpentin d’échange 58 avant de le propulser dans la capacité tampon43 et l’air comprimé provenant du réservoir de stockage à travers le dispositif de récupérationd’énergie thermique ambiante et l’échangeur air air 41. 30 Le réchauffeur thermique 56 reçoit de l’air comprimé provenant du réservoir de stockage 23 par un conduit 37A, provenant du dispositif de récupération d’énergie thermiqueambiante 41 par un autre conduit 42 et provenant de la chambre d’aspiration et de compression 1par un troisième conduit 42A; chacun de ces conduits comporte une vanne de régulation59,59A,59B pilotée qui permet de déterminer les proportions d’air comprimé, de chaque 35 provenance, à réchauffer en fonction des conditions d’utilisation
Des systèmes de clapets de régulation, d’allumage des brûleurs et de réglage d’intensité des brûleurs sont installés pour réchauffer plus ou moins l’air comprimé qui traverse le serpentin deréchauffage en fonction des besoins d’énergie pour la conduite du véhicule ainsi équipé. 117 6 7
La capacité tampon 43 disposée entre le réchauffeur thermique 56 et l’injecteur 22 peutêtre avantageusement calorifugée par une enveloppe isolante 43A, de matériaux connus pour cefaire, afin de permettre de conserver à l’air comprimé les calories accumulées dans le réchauffeurthermique 56 avant d’être injecté dans la chambre. L’homme de l’art peut choisir le volume de la 5 capacité tampon 43 et le matériaux calorifuge de même que les canalisations et divers conduits peuvent être également calorifugés sans changer pour cela l’invention qui vient d’être décrite.
Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrites et représentées, et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l’homme de l’art sans que l’on ne s’écarte de l’esprit de l’invention.
Claims (9)
- 7 117 6 7 REVENDICATIONS1, - Procédé de réchauffage thermique pour moteurs à piston alternatif ou véhicules équipés demoteurs à piston alternatif dépollués ou dépolluants fonctionnant avec injection d’air additionneldans la chambre de combustion ou d’expansion et ayant un réservoir de stockage d’air compriméhaute pression, caractérisé en ce que l’air comprimé contenu dans le réservoir de stockage hautepression est, préalablement à son utilisation finale, à pression inférieure, dirigé vers un réchauffeurthermique pour permettre d’augmenter sa pression et/ou son volume avant son injection dans lachambre de combustion ou d’expansion.
- 2, - Procédé de réchauffage thermique selon la revendication 1 dans lequel l’air comprimé contenudans le réservoir de stockage haute pression est , préalablement à son introduction dans leréchauffeur thermique à pression inférieure, détendu à une pression proche de cette pression, dansun système à volume variable, par exemple un piston dans un cylindre, produisant un travail qui apour conséquence de refroidir à basse température l’air comprimé ainsi détendu qui est ensuiteenvoyé dans un échangeur thermique pour se réchauffer, et augmenter ainsi sa pression et/ou sonvolume par récupération d’un apport d’énergie thermique ambiante
- 3, - Procédé de réchauffage thermique pour moteurs ou véhicules équipés de moteurs dépollués oudépolluants fonctionnant avec injection d’air additionnel dans la chambre de combustion oud'expansion, caractérisé en ce que de l’air comprimé est prélevé dans la chambre d’aspiration et decompression en fin de compression pour être dirigé vers un réchauffeur thermique afin depermettre d’augmenter sa pression et/ou son volume avant d’être injecté dans la chambre decombustion ou d’expansion.
- 4, - Procédé de réchauffage thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractériséen ce que l’air comprimé qui est envoyé dans le réchauffeur thermique provient du réservoir destockage, du dispositif de récupération d’énergie thermique ambiante, d’un prélèvement dans lachambre d’aspiration et de compression séparément ou en combinaison, dans des proportionsdéterminées en fonction des conditions d’utilisation.
- 5, - Dispositif de réchauffage thermique pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication1, caractérisé en ce que un réchauffeur thermique (56), constitué d’un brûleur (57) alimenté par uncarburant et d’un serpentin d’échange thermique (58), est positionné entre le réservoir de stockage(23) et l’injecteur d’air comprimé additionnel (22), le brûleur (57) venant réchauffer l’airprovenant du réservoir de stockage, lors de son passage à travers le serpentin (58) pour augmentersa pression et/ou son volume avant son injection dans la chambre de combustion ou d’expansion (2) , une capacité tampon (43) positionnée entre le réchauffeur thermique et l’injecteur (22) d’aircomprimé additionnel permettant de régulariser et d’éviter des effets de pompage avant laditeinjection.
- 6, - Dispositif de réchauffage thermique selon la revendication 5 pour le mise en oeuvre duprocédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réchauffeur thermique (56) est positionné 8 117 6 7 sur un conduit (42) entre l’échangeur thermique air air ou radiateur (41) du dispositif derécupération d’énergie thermique ambiante et la capacité tampon (43), avant son injection dans lachambre de combustion ou d’expansion (2).
- 7, - Dispositif de réchauffage thermique selon la revendication 5 pour la mise en oeuvre du procédéselon la revendication 3 caractérisé en ce que l’échangeur thermique (56) est positionné entre lachambre d’aspiration et de compression 1 du moteur et la capacité tampon (43) sur un circuitdérivé constitué d’un conduit (42) dans lequel lé débit est contrôlé par une vanne (59) qui permetde prélever de l’air comprimé en fin de compression pour être dirigé vers le réchauffeur thermiqueafin d’augmenter sa pression et/ou son volume avant d’être injecté dans la chambre de combustionou d’expansion.
- 8, - Dispositif de réchauffage thermique selon la revendication 5 pour la mise en oeuvre du procédéselon la revendication 4 caractérisé en ce que le réchauffeur thermique (56) reçoit de l’aircomprimé provenant du réservoir de stockage (23) par un conduit (37A), provenant du dispositifde récupération d’énergie thermique ambiante (41) par un autre conduit (42) et provenant de lachambre d’aspiration et de compression (1) par un troisième conduit (42A), et caractérisé en ce quechacun de ces conduits comporte une vanne de régulation(59,59A,59B) pilotée qui permet dedétenniner tes propartioas d’air comprimé, de chaque provenance, à réchauffer en fonction des
- 9, - TMywMf de rédonfiàge thermique selon la revendication 5 caractérisé en ce que la capacitétampon disposée cake le lédhauflfeur thermique (56) et l’injecteur (22) est calorifuge par uneenveloppe (43A) povr permettre de conserver les calories accumulées dans le réchauffeurthermique.
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