WO2023004487A1 - Utilisation d'un fluide comme un piston virtuel de compression secondaire pour un moteur à combustion interne - Google Patents

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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging

Definitions

  • the present invention relates to a system for improving the energy efficiency of internal combustion engines and reducing polluting emissions which applies to all types of internal combustion engines, whether controlled ignition, HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) or Diesel.
  • HCCI Hemogeneous Charge Compression Ignition
  • Diesel Diesel
  • the present invention brings a modification to the level of the dead volume of the internal combustion engine with the addition of an extension in the form of a relatively long conduit with a small section in the cylinder head (2) of the engine which opens into a valve (3 ) controlled by the computer. Engine operation will remain largely the same and unchanged.
  • the air/fuel mixture (or air only for diesel engines) is essentially confined in the dead volume (4 and 5) .
  • the second compression occurs by the introduction of a fluid through the valve (3).
  • This valve can be likened to a micro-valve or an injector controlled by the computer.
  • This fluid will chase the air/fuel mixture from the exiguous part resembling a long and narrow duct of the dead volume (5), to concentrate it almost completely at the level of the lower part of the dead volume (4), until reaching the desired pressure or temperature regardless of engine load.
  • the present invention also makes it possible to control the moment of self-ignition for the HCCI type engine and to achieve self-ignition conditions at proportions that are less lean and closer to stoichiometry, independently of the load, whether for Diesel or HCCI engines.
  • it increases both the quantity of material in the cylinder while being at proportions close to stoichiometry (air + fuel + compression fluid) and the size of the dead volume in relation to the displacement (the addition of the duct (5)). Therefore, it decreases the compression ratio (compression ratio) of the engine without decreasing the pressure ratio.
  • the peak temperature will not be as high as if the compression ratio were higher and the quantity of material less. Consequently, harmful emissions such as nitrogen oxides NO x and carbon monoxide CO will be greatly reduced.
  • the present invention makes it possible to operate engines of the controlled ignition or HCCI type with a cycle close to that of Sabathe without supplying additional heat in expansion. Indeed, during expansion, the introduced fluid which is extremely dense, as it mixes with the burnt gases, will absorb the thermal energy of combustion. Thus, the pressure level will be maintained higher for longer while decreasing the temperature of the gases, despite the fact that the total volume of the gases increases. This will increase torque and improve engine fuel efficiency.
  • the lower part of the dead volume will be given the name of combustion chamber (4) because it is here that the air/fuel mixture is essentially found at the time of combustion.
  • the compression chamber As for the cramped part of the dead volume which resembles a duct (5), it will be called the compression chamber, and in which there is no combustion due to the absence of fuel, particularly in the part near the micro-valve (3) for introducing the compression fluid.
  • the lower part adjacent to the combustion chamber it can be the extension of the combustion chamber according to the various parameters, such as the load, the temperatures and the pressures of the air/fuel mixture and of the compression fluid.
  • the compression chamber can be provided with fins in order to have the least turbulent flow possible, to limit as much as possible the mixing between the compression fluid and the air/fuel mixture.
  • a high pressure compression fluid storage ramp is also essential. Furthermore, the fact of having fluid under high pressure in reservoirs, makes it possible to use it to actuate the micro-valve (3) which is already very light and small with great precision. On the other hand, this micro-valve (3) is there to ensure a pressure drop in the flow of the fluid and thus to limit leaks as much as possible when it is closed. Whereas, sealing is ensured by valves which are activated as soon as the motor is stopped in order to preserve the pressure of the fluid in the ramp.
  • auxiliary compressors separate from the engine. Compression by auxiliary compressors separate from the engine provides the following advantages:
  • the fluid is air
  • this air does not pose a problem of excess oxygen for the combustion reaction or for the production of NO x .
  • this air is isolated in the compression chamber from the dead volume (5) during combustion. On the other hand, it is relatively cold.
  • the air which serves as oxidant perfectly mixed with the fuel is essentially confined in the combustion chamber of the dead volume (4) in well balanced proportions and conditions of stoichiometry and combustion.
  • the compression fluid is di-nitrogen (N 2 ), air or burnt exhaust gas: the fluid is in a supercritical state whether upstream of the micro-valve (3) in the circuit for generating the high pressure or downstream, after the introduction of the fluid where it undergoes expansion.
  • the present invention improves the overall energy efficiency of the engine and limits the polluting emissions produced without modifying the general structure and operation of the internal combustion engine, thanks to the following characteristics:

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Abstract

L'invention concerne un système de compression secondaire pour un moteur à combustion interne, utilisant un fluide comme un deuxième piston virtuel de compression rapide à course variable. Ce système permet au moteur de se comporter comme un moteur à taux de compression variable. Il consiste en une extension au niveau du volume mort du moteur, sous forme d'un conduit relativement long et étroit dans la culasse du moteur, servant d'alésage au piston virtuel et débouchant sur une valve. Ce système vise à ajouter une deuxième compression du mélange air/carburant, lorsque le piston se trouve près du point mort haut, en introduisant un fluide sous haute pression via une valve pilotée par le calculateur. Cette introduction se manifeste comme un jet de fluide dans un conduit relativement long et étroit sans se mélanger avec le mélange air/carburant. Permettant ainsi, de réguler la pression au moment de la combustion suivant la charge et d'augmenter la quantité de matière dans le cylindre tout en gardant des proportions proches de la stœchiométrie de combustion.

Description

Utilisation d'un fluide comme un piston virtuel de compression secondaire pour un moteur à combustion interne.
La présente invention concerne un système d'amélioration de l'efficacité énergétique des moteurs à combustion interne et de réduction des émissions polluantes qui s'applique sur tous les types de moteurs à combustion interne que ce soit à allumage commandé, HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) ou Diesel. En utilisant un fluide comme un deuxième piston de compression.
Ces dernières années plusieurs innovations ont été réalisées pour améliorer l'efficacité énergétique et réduire les émissions polluantes des moteurs à combustion interne. Parmi celles-ci: le Downsizing avec la suralimentation en air par un turbocompresseur, l'adoption de l'injection directe qui permet de refroidir l'air admis et par laquelle on génère un mélange stratifié à faible charge et la recirculation des gaz brulés EGR (Exhaust Gas Recirculation) afin de contrôler le taux d'oxygène à faible charge. Seulement, il est à noter que d'une part, ces solutions n'arrivent pas à répondre aux exigences des normes environnementales de façon satisfaisante et d'autre part, on a dû privilégier le fonctionnement en bas régime et faible charge au dépend de celui à haut régime et pleine charge, en plus du problème de manque de fiabilité qui en résulte.
A cet effet, parmi les innovations souhaitées, les moteurs à taux de compression variables qui s'adaptent suivant la charge. Toutefois, la plupart des percés accomplies sont totalement mécaniques dont les conséquences liés aux pièces en mouvement ne sont pas négligeables: comme l'augmentation du poids, de la friction, de la taille, et du nombre de pièces en mouvement et ainsi que la position haute du centre de gravité. Par ailleurs, on dénombre beaucoup de travaux qui s'intéressent grandement à la mise au point d'un moteur de type HCCI dont la principale contrainte à relever est de pouvoir maitriser le moment où la détonation s'enclenche indépendamment de la charge.
La présente invention apporte une modification au niveau du volume mort du moteur à combustion interne avec l'ajout d'une extension sous forme d'un conduit relativement long à petite section dans la culasse (2) du moteur qui débouche sur une valve (3) pilotée par le calculateur. Le fonctionnement du moteur restera globalement le même et inchangé.
En effet, une fois que le piston (1) a fait l'essentiel de la compression, le mélange air/carburant (ou de l'air uniquement pour les moteurs Diesel) se retrouve essentiellement confiné dans le volume mort (4 et 5). En ce moment, la deuxième compression se produit par l'introduction d'un fluide via la valve (3). Cette valve peut être assimilée à une micro-soupape ou un injecteur commandée par le calculateur. Ce fluide va chasser le mélange air/carburant de la partie exigu ressemblant à un conduit long et étroit du volume mort (5), pour le concentrer presque totalement au niveau de la partie inférieure du volume mort (4), jusqu'à atteindre la pression ou la température convoitées indépendamment de la charge du moteur.
À partir du moment que, le contact entre le fluide introduit et le mélange air/carburant s'effectue dans un endroit à section relativement très petite et très peu divergente dans le sens de l'écoulement (5), l'échelle des structures tourbillonnaires est conditionnée par la section du conduit et ainsi, le mélange du fluide avec le mélange air/carburant est extrêmement limité voir même impossible. De plus, les gaz brulés du cycle précédent coincés dans le conduit du volume mort (5) après l'échappement joue le rôle d'isolant entre le mélange air/carburant et le fluide de compression. Compte tenu de ces faits,
  • Le fluide aura comme effet celui d'un piston rapide dont la course est variable et dépend de la quantité du fluide introduit autrement dit, dépend du temps d'ouverture de la micro-soupape (3). Par conséquent, le moteur se comporte comme un moteur à taux de compression variable suivant la charge.
  • L'échauffement par compression du mélange air/carburant par introduction du fluide s'effectue même si le fluide introduit est relativement froid.
La présente invention permet également de contrôler le moment d'auto-inflammation pour le moteur type HCCI et d'atteindre les conditions d'auto-inflammation à des proportions moins pauvres et plus proches de la stœchiométrie, indépendamment de la charge que ce soit pour les moteurs Diesel ou HCCI. D'autre part, elle augmente à la fois la quantité de matière dans le cylindre tout en étant à des proportions proches de la stœchiométrie (air + carburant + fluide de compression) et la taille du volume mort par rapport à la cylindrée (le rajout du conduit (5)). Par conséquent, elle diminue le taux de compression (rapport volumétrique) du moteur sans diminuer le rapport de pression. Du coup, au moment de la combustion , le pic de température ne sera pas aussi élevé que si le taux de compression était plus élevé et la quantité de matière moindre. Par conséquent, les rejets nocifs tels que, les oxydes d'azote NOx et le monoxyde de carbone CO seront très réduits.
Par ailleurs, la présente invention permet de faire fonctionner les moteurs de type à allumage commandé ou HCCI avec un cycle proche de celui de Sabathe sans apport de chaleur supplémentaire en détente. En effet, lors de la détente, le fluide introduit qui est extrêmement dense, au fur et à mesure qu'il se mélange avec les gaz brûlés, va absorber l'énergie thermique de combustion. Ainsi, le niveau de pression sera maintenu élevé plus longtemps tout en diminuant la température des gaz et ce, malgré que le volume total des gaz augmente. Ce qui augmentera le couple et améliorera le rendement énergétique du moteur.
La partie inférieure du volume mort on lui attribuera le nom de chambre de combustion (4) car c'est ici que se trouve essentiellement le mélange air/carburant au moment de la combustion. Quant à la partie exigu du volume mort qui ressemble à un conduit (5), on lui attribuera le nom de chambre de compression, et dans laquelle il n y pas de combustion à cause de l'absence de carburant, particulièrement dans la partie près de la micro-soupape (3) d'introduction du fluide de compression. Par contre, pour la partie inférieure adjacente à la chambre de combustion, elle peut être le prolongement de la chambre de combustion suivant les différents paramètres, tels que la charge, les températures et les pressions du mélange air/carburant et du fluide de compression. La chambre de compression peut être munie d'ailettes afin d'avoir l'écoulement le moins turbulent possible, pour limiter au maximum le mélange entre le fluide de compression et le mélange air/carburant.
C'est le calculateur qui gère le moment d'introduction du fluide de compression dans la chambre de compression (5) du volume mort, suivant les différents paramètres dont il dispose comme la pression du fluide de compression.
  • Si le moteur est de type Diesel, la pression du fluide peut être inférieure au pic de pression de combustion car la micro-soupape (3) d'introduction du fluide de compression peut être fermée au moment de l'injection du carburant dans le cylindre.
  • Si le moteur est de type à allumage commandé par bougie, la pression du fluide de compression peut être inférieure au pic de pression de combustion car la micro-soupape (3) d'introduction du fluide de compression peut être fermée au moment où la bougie enclenche la combustion.
  • Si le moteur est de type HCCI, deux cas se présentent:
  1. Si la pression du fluide de compression est supérieure au pic de pression de combustion, la micro-soupape (3) d'introduction du fluide de compression peut être en position ouverte au moment où, la combustion s'enclenche. Par conséquent, l'introduction du fluide pourra être retardée jusqu'à ce que, même si le piston (1) dépasse le point mort haut et entame la course de détente.
  2. Si la pression du fluide de compression est inférieure au pic de pression de combustion, la micro-soupape (3) d'introduction du fluide doit être fermée au moment de la combustion. Par conséquent, l'introduction du fluide doit être avancée et l'enclenchement de la combustion sera provoquée par la compression du piston (1) lorsqu'il atteindra le point mort haut.
Plusieurs fluides peuvent être utilisés tels que les gaz d'échappement, l'air ambiant, l'azote liquide et l'eau. Ces fluides serviront à récupérer une partie d'énergie thermique des gaz brulés échappés du moteur avant leur introduction dans la chambre de compression du moteur (5) pour atteindre des températures relativement froides par rapport à celles de la combustion mais assez chaudes pour ne pas empêcher la combustion dans les bonnes conditions. Pour cela, on prévoit un chauffage électrique d'ajustement de la température notamment lors des phases de démarrage à froid en amant de la soupape d'introduction du fluide (3). Les étapes essentielles que le fluide de compression suit avant de l'introduire dans la chambre de compression du moteur à combustion interne sont comme suit:
  1. Prise de fluide de compression à basse pression.
  2. Génération de la haute pression du fluide par au moins un compresseur ou une pompe.
  3. Accumulation du fluide de compression à haute pression dans une rampe.
  4. Chauffage du fluide à haute pression par les gaz d'échappement du moteur.
  5. Chauffage électrique si il y a une insuffisance de chaleur.
  6. Introduction du fluide dans la chambre de compression du moteur.
Dans le cas où le fluide de compression est en état :
  • liquide avant chauffage (l'eau ou l'azote liquide), la haute pression est générée à l'aide d'une pompe haute pression.
  • gaz avant chauffage (gaz d'échappement ou l'air ambiant), la haute pression est générée à l'aide d'au moins un compresseur haute pression, bien refroidi pour limiter le travail dépensé à la compression.
Une rampe de stockage du fluide de compression sous haute pression est aussi indispensable. Par ailleurs, du fait de disposer de fluide sous haute pression dans des réservoirs, permet de l'utiliser pour faire actionner la micro-soupape (3) qui est déjà très légère et petite avec une grande précision. D'autre part, cette micro-soupape (3) est là pour assurer une perte de charge de l'écoulement du fluide et ainsi, limiter au maximum les fuites lorsque elle est fermée. Alors que, l'étanchéité est assurée par des clapets qui s'actionnent dès que le moteur est en arrêt afin de préserver la pression du fluide dans la rampe.
Dans le cas où le fluide est en état gazeux à faible pression (pression atmosphérique) tel que l'air ou les gaz brulés, la haute pression est générée par des compresseurs auxiliaires séparés du moteur. Le fait de faire la compression par des compresseurs auxiliaires séparés du moteur, procure les avantages suivants:
  • Pouvoir récupérer une partie de l'énergie cinétique du véhicule sous forme de gaz comprimé en utilisant le compresseur comme frein.
  • Pouvoir faire fonctionner le moteur comme un moteur pneumatique sans consommation de carburant à des brefs moments lorsqu'on dispose d'excès de gaz comprimé.
  • Pouvoir refroidir le moteur par le gaz comprimé de l'intérieur en le faisant fonctionner comme un moteur pneumatique.
Dans le cas où le fluide est l'air, malgré que l'air contient 20% d'oxygène, ceci ne pose pas de problème d'excès d'oxygène pour la réaction de combustion ou pour la production de NOx. Car cet air est isolé dans la chambre de compression du volume mort (5) lors de la combustion. D'autre part, il est relativement froid. De plus, l'air qui sert de comburant parfaitement mélangé avec le carburant se trouve confiné essentiellement dans la chambre de combustion du volume mort (4) à des proportions et des conditions bien équilibrées de stœchiométrie et de combustion.
Dans le cas où le fluide de compression est le di-azote (N2), l'air ou le gaz brulé d'échappement: le fluide est en état supercritique que ce soit en amont de la micro-soupape (3) dans le circuit de génération de la haute pression ou en aval, après l'introduction du fluide où il subit une détente.
Dans le cas où le fluide de compression est l'eau, ( l'eau est plus pratique sur les grandes installations dont la température des gaz d'échappement est assez élevée et stable). deux cas se présentent:
  • Le cas où l'eau se trouve en état liquide ou supercritique en amont de la valve d'introduction de l'eau (3), la pression doit être supérieure à 221.20 bar où l'échangeur de récupération d'énergie thermique des gaz d'échappement est un simple échangeur sans changement de phase et la valve d'introduction de l'eau dans la chambre de compression du volume mort est assimilée à un injecteur. En aval de la valve d'introduction de l'eau (3), une fois ce fluide a été introduit et après avoir subi une détente, il devient un mélange de vapeur et de liquide.
  • Le cas où l'eau se trouve en état vapeur surchauffée en amont de la valve d'introduction de l'eau (3), la pression doit être inférieure à 221.20 bar. L'échangeur sera assimilé à une chaudière avec séparation de phase liquide et vapeur, quant à la valve (3), elle sera assimilée à une micro-soupape.
Enfin, une partie importante de l'énergie dépensée pour la deuxième compression proviendra de l'énergie thermique récupérée des gaz d'échappement, en particulier quand le fluide est l'azote liquide. Ce-qui contribuera à l'amélioration du rendement énergétique du moteur ainsi qu'à la diminution du dioxyde de carbone CO2 produit.
En résumé, la présente invention améliore l'efficacité énergétique globale du moteur et limite les émissions polluantes produites sans modifier la structure générale et le fonctionnement du moteur à combustion interne et ce, grâce aux caractéristiques suivantes:
  • Extraire un surplus d'énergie thermique de combustion pour le convertir en travail mécanique.
  • Générer les conditions de pression et de température plus optimales de combustion pour les moteurs à combustion interne de tout type, indépendamment de la charge.
  • Récupérer une partie de l'énergie thermique des gaz d'échappement.
  • Récupérer une partie de l'énergie cinétique lors du freinage.
  • Economiser une partie du travail nécessaire à la compression.
  • Diminuer le pic maximal de température de combustion.
  • Amorcer la combustion par compression pour les moteurs HCCI.
  • Contrôler le moment de l'auto-inflammation pour les moteurs HCCI.
  • Faire fonctionner les moteurs Diesel et HCCI à des proportions moins pauvres et proches de la stœchiométrie.
Explication des dessins
La représente une coupe d'un moteur à quatre temps auquel on lui a ajouté le conduit du volume mort dans la culasse (2) et la valve d'introduction du fluide de compression (3) et (1) est le piston.
La représente une coupe du volume mort du moteur avec la chambre de combustion (4) et la chambre de compression (5).
La représente la forme du volume mort du moteur en trois dimensions avec la chambre de combustion (4) et la chambre de compression (5).

Claims (10)

  1. L'invention revendique le procédé de compression secondaire utilisant un fluide dit fluide de compression comme un deuxième piston de compression à course variable.
  2. Le procédé selon la revendication 1, comprenant au moins: un système de compression secondaire pour un moteur à combustion interne. et un système de génération de la haute pression dudit fluide de compression.
  3. Ledit système de compression secondaire selon la revendication 2 pour un moteur à combustion interne, comprenant au moins: une chambre de compression sous forme de conduit faisant partie du volume mort et communiquant avec la chambre de combustion. Ladite chambre de compression peut être équipée d'ailettes ou sa surface de section est relativement petite pour limiter le mélange lors de la compression secondaire entre ledit fluide de compression et le comburant ou le mélange carburant/comburant. Une valve à l'extrémité de ladite chambre de compression qui fait introduire ledit fluide de compression dans ladite chambre de compression. Le dit système de compression secondaire utilise ledit fluide de compression comme un piston virtuel de compression à course variable dans ladite chambre de compression qui servira d'alésage audit piston virtuel. La course variable dudit piston virtuel dépend du temps d'ouverture de ladite valve par laquelle est soufflé ledit fluide de compression.
  4. Le dit système de génération de la pression selon la revendication 2, comprenant au moins :un compresseur, dans le cas où le fluide est en état gazeux avant de le mettre sous haute pression comme l'air ou les gaz d'échappement du moteur, une pompe dans le cas où le fluide est en état liquide avant de le mettre sous haute pression comme l'eau, un échangeur thermique entre les gaz d'échappement du moteur à combustion interne et ledit fluide de compression pour la récupération d'une partie de l'énergie thermique des gaz d'échappement du moteur, un chauffage électrique, une rampe étanche et résistante à la haute pression et à la température dudit fluide de compression.
  5. Utilisation de l'air ou des gaz d'échappement du moteur ou de l'eau ou de le di-azote (N2) comme ledit fluide de compression.
  6. Utilisation dudit fluide de compression pour récupérer une partie de l'énergie cinétique sous forme de gaz comprimé à travers au moins un compresseur qui sert de frein.
  7. Utilisation dudit fluide de compression pour réduire le taux du dioxygène O2 dans le cylindre du combustion dans un moteur à combustion interne.
  8. Utilisation dudit fluide de compression comme fluide caloporteur pour récupérer une partie de l'énergie thermique des gaz d'échappements ou de l' huile moteur ou du liquide de refroidissement à travers au moins un échangeur thermique.
  9. Utilisation dudit fluide de compression pour actionner le moteur à combustion interne comme moteur pneumatique.
  10. Utilisation dudit fluide de compression pour actionner les systèmes pneumatiques du moteur à combustion interne et les systèmes pneumatiques du véhicule.
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