WO2023148044A1 - Combustion device comprising an oxygen concentrator - Google Patents

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WO2023148044A1
WO2023148044A1 PCT/EP2023/051574 EP2023051574W WO2023148044A1 WO 2023148044 A1 WO2023148044 A1 WO 2023148044A1 EP 2023051574 W EP2023051574 W EP 2023051574W WO 2023148044 A1 WO2023148044 A1 WO 2023148044A1
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oxidizer
tank
oxygen
combustion
combustion chamber
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PCT/EP2023/051574
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French (fr)
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Bruno SANGLE-FERRIERE
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Sangle Ferriere Bruno
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Definitions

  • Combustion device comprising an oxygen concentrator.
  • the present invention relates to the field of combustion engines and other combustion devices, in particular for propulsion, automotive traction or heating.
  • the invention relates in particular to a combustion device and a hybrid motorization system comprising such a device.
  • Combustion devices work by converting the heat produced by the combustion of a mixture of atmospheric gases and fuel into mechanical and/or heating energy.
  • US Pat. No. 6,742,507 describes an internal combustion engine powered by an oxygen-rich oxidant produced with a zeolite oxygen concentrator.
  • the engine can run on gasoline, hydrogen, diesel or even alcohol.
  • a nitrogen-free fuel such as alcohol or hydrogen
  • the engine does not always allow the necessary oxidizer to be quickly supplied, for example for acceleration, during which the power developed by the engine can be increased tenfold, or even to supply oxidizer during start-up, the engine then not producing any gas. exhaust.
  • the engine then requires either an air supply or an oversized oxygen concentrator capable of supplying oxygen in a quantity equal to the quantity of air required during this start-up phase. Indeed, in the absence of a necessary volume of oxidizer, usually composed of air, the engine risks overheating or the combustion being abnormally violent.
  • US 2011/023841 describes a combustion unit in which a fuel is burned with a carrier gas comprising a high concentration of argon.
  • a carrier gas comprising a high concentration of argon.
  • argon is an expensive gas and needs to be stored in a special bottle, which complicates the use of a vehicle using such a device.
  • a combustion device comprising:
  • an oxidizer tank preferably under pressure, said oxidizer tank preferably being, before starting the device, filled with dioxygen, oxygen-enriched air, and/or dioxygen-enriched exhaust gas, the tank of oxidizer comprising at most 20%, better still at most 10%, even better still at most 5% by mass of nitrogen and nitrogen compounds,
  • an intake system for introducing, in predetermined proportions, a mixture of fuel, oxidizer produced by the oxygen concentrator and gas contained in the oxidizer tank into said at least one combustion chamber.
  • substantially nitrogen-free it should be understood that the residual content of nitrogen and nitrogen compounds, in particular nitrogen oxides, at atmospheric pressure and at 20° C. is less than or equal to 10% by volume, better still 5% better at 1%.
  • the use of an oxygen concentrator greatly reduces the production of fine particles and nitrogen oxides. Indeed, due to the large amount of oxidizer, the mixture of fuel and oxidizer is slightly lean in fuel, which promotes good combustion. In addition, the amount of nitrogen in the mixture of fuel and oxidizer is greatly reduced, or even zero.
  • the first combustions can be carried out by limiting the production of oxides of nitrogen before the oxygen concentrator reaches full charge.
  • This oxidizer reservoir also allows the device to be more responsive to changes in load and speed, phases in which the quantity of oxidizer produced by the oxygen concentrator may not be sufficient during a short instant of change of speed.
  • the oxygen concentrator may produce excess oxidizer as it adjusts to the changes. This excess quantity can be used to feed the oxidizer tank.
  • the device can be a combustion engine or a boiler.
  • the device according to the invention can be used for automobile propulsion or traction, directly or indirectly.
  • the device can also be used as an electrical generator or to produce mechanical energy or heat, for example for industry or individuals.
  • the device preferably comprises an exhaust gas recirculation system, called “EGR”.
  • EGR exhaust gas recirculation system
  • said at least one combustion chamber may comprise a hollow cylinder, the engine comprising a piston sliding in said cylinder.
  • the device may include a power transmission shaft.
  • the device may comprise a start-up system configured to start the device, the start-up system supplying the oxidizer tank with air enriched with dioxygen, or with dioxygen using the oxygen concentrator before any combustion.
  • the device may comprise one or more sensors, including: a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the exhaust gas, a sensor making it possible to detect the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the oxidizer tank, a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber the proportion of dioxygen contained in the exhaust gas, a sensor making it possible to detect the proportion of dioxygen contained in the oxidizer tank, a sensor making it possible to detect at the outlet of the oxygen concentrator the proportion of dinitrogen or of nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the oxidizer, a sensor making it possible to detect at the outlet of the oxygen concentrator oxygen the proportion of dioxygen contained in the oxidizer.
  • a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the exhaust gas
  • a sensor making it possible to detect the proportion of
  • the device may comprise a control unit allowing regulation of the device, in particular using information coming from the aforementioned sensor or sensors.
  • the oxygen concentrator preferably comprises at least 0.3 L of zeolites per 1 kW of average engine or calorific power, that is to say developed on average by the device, for example an engine or a boiler, during its use.
  • Oxygen concentration can be done in one or more steps. It is possible to use several oxygen concentrators in parallel or in series in order to distribute the volume of zeolites. Using oxygen concentrators in series results in higher oxygen purity.
  • a first concentrator can generate a gas concentrated at 95% oxygen and a second concentrator generates a gas concentrated at 99% oxygen from the gas concentrated at 95% oxygen.
  • the oxygen concentrator is advantageously supplied with an atmospheric gas mixture filtered by an Air Purifier by UV Photocatalysis allowing in particular to eliminate the traces of nitrogen oxides present in the air, for example by using a device similar to the " Biotray® UV-C Photocatalysis Air Purifier, the UV-C lamp can also be a UV lamp emitting at wavelengths below 390 nm.
  • the engine may include a zeolite regeneration system in order to maintain good filtration of nitrogen particles.
  • the device can be supplied with oxidizer thanks to the gases accumulated in the oxidizer tank.
  • the tank can be, at least in part, fed and filled by said at least one oxygen concentrator.
  • the oxygen concentrator can be used to fill the tank with oxidizer if it is empty or after it has been emptied following the detection of a rate of presence of nitrogen and/or nitrogen compounds greater than a prefixed threshold, for example 1%.
  • the oxidizer tank can be emptied following the detection of a rate of presence of nitrogen and/or nitrogenous compounds greater than a prefixed threshold, for example greater than 10% by volume, in particular greater than 5% by volume, of preferably greater than 1% by volume.
  • the oxidant reservoir preferably under pressure, can advantageously temporarily supply said at least one combustion chamber with a quantity of oxidant in excess of the production capacity of said at least one oxygen concentrator.
  • the oxidizer tank can be supplied and filled, at least in part, with air, in particular in the event of increased demand for oxidizer, for example when said tank is empty and the oxidizer requirements are greater than the production capacity of the concentrator. 'oxygen.
  • the oxidizer tank can be fed and filled, at least in part, with exhaust gas, in particular during operation of the device.
  • the device may include a regulating valve making it possible to control the exhaust gas supply flow rate in the oxidizer tank.
  • Said regulating valve can be controlled so that the mass proportion of nitrogen and nitrogenous compounds in said oxidizer tank remains below 20%, better less than 10%, better less than 5%, preferably less than 1%, and the oxygen concentration greater than another predefined threshold, in particular at least 10% by mass, or even at least 20%, better at less than 30% oxygen.
  • the oxidizer tank can be supplied and filled by said at least one oxygen concentrator and with exhaust gas, in particular during operation of the device, simultaneously or alternately.
  • the oxidizer tank may be at a pressure greater than 1 bar, in particular greater than 2 bar.
  • the oxidizer tank may comprise a system making it possible to keep it under pressure, for example by dynamically reducing the volume of the tank, and/or by compressors compressing one or more of the gases which fill it.
  • the oxidizer tank may include a pressure reducer, allowing it to compress the gas beyond its operating pressures, and/or include several enclosures maintained at different pressures, in particular to allow it to accumulate large quantities of oxidizer in the speakers most under pressure.
  • the device may include an exhaust gas compressor between the combustion chamber and the oxidizer tank.
  • This compressor may be a turbocharger driven by part of the exhaust gases.
  • the oxidizer tank may comprise at least 50%, better still at least 70%, better still at least 80% exhaust gas at rated speed.
  • the oxidizer tank is advantageously under pressure when the device is stopped.
  • the oxidizer tank may have a useful volume of between 1 1 and 201.
  • the device may comprise a probe, preferably placed at an inlet into the system for admitting oxidizer produced by the oxygen and/or gas concentrator contained in the oxidizer tank, making it possible to measure the oxygen concentration of the oxidizer produced by the oxygen concentrator and/or the gas contained in the oxidizer tank as well as its pressure and its volume flow rate.
  • a probe can communicate with a control unit making it possible, depending on the data measured by the probe, to dynamically adjust an automatic pressure regulation valve or the speed of rotation of an oxidizer compressor coming from the oxidizer tank, and optionally from the oxygen and air concentrator captured outside the device, to optimize combustion in said at least one combustion chamber.
  • the intake system can make it possible to stop or limit the introduction into the combustion chamber of gases contained in the oxidizer tank if the mass proportion of nitrogen and nitrogenous components in said oxidizer tank is greater than a predefined threshold , in particular greater than 20%, better still greater than 10%, even better greater than 5%.
  • the admission system can make it possible to stop or limit the introduction into the combustion chamber of gases contained in the oxidizer tank if the mass proportion of oxygen in said oxidizer tank is below a predefined threshold, in particular below 10 %, better less than 20%, better less than 30%.
  • the intake system may comprise a casing for an air filter comprising two partial or total openings respectively for the inlet and the outlet of the air flow.
  • an air filter housing can receive an air filter. The flow of air leaving the air filter housing can then be used as oxidizer in said at least one combustion chamber.
  • the device may comprise an intake connection inserted in the casing for an air filter to replace the air filter.
  • the inlet connection allows a flow of a mixture of oxidizer from said at least one oxygen concentrator and/or gas contained in the oxidizer tank to said at least one combustion chamber through the partial or total opening of the housing forming an outlet.
  • said at least one oxygen concentrator may include a system for filtering the atmospheric gas mixture.
  • the device may comprise an exhaust connection connected to the outlet of the combustion chamber.
  • the exhaust connection makes it possible to divide the flow of exhaust gases resulting from combustion in the combustion chamber to supply, at least occasionally, the oxidizer tank with exhaust gases.
  • the device can be obtained by modifying (retrofitting) a combustion device operating with a mixture of fuel and air, compressed or not.
  • the air filter of the device is replaced by the aforementioned inlet connection and the outlet of the combustion chamber is connected to the aforementioned exhaust connection.
  • the operation of certain systems of the combustion device, in particular the intake system can be adapted, for example to manage the supply to the oxidizer tank, to introduce gases contained in the oxidizer tank into the combustion chamber, by modifying the quantity of fuel injected, the quantity of oxidizer injected, the ratio between fuel and oxidizer, and /or, if applicable, the opening of the exhaust gas recirculation system.
  • the intake system preferably introduces at least 20% by mass, in particular at least 40% by mass, of gases contained in the oxidizer tank into said at least one combustion chamber, these gases forming a so-called carrier gas.
  • gases contained in the oxidizer tank comprising at most 20%, better still at most 10%, even better still at most 1% by mass of nitrogen and nitrogenous compounds, the production of nitrogen oxides remains greatly limited, despite the use of the carrier gas.
  • the carrier gas is preferably composed of at least 70% better at least 80% by mass of oxygen and carbon dioxide. Since oxygen and carbon dioxide have similar specific heat capacities, the distribution of heat in the combustion chamber is substantially constant during operation of the device, despite the variations in proportions between oxygen and carbon dioxide.
  • the carrier gas comprises less than 1% by mass of argon.
  • the specific heat capacity of argon is much lower than that of oxygen. Too high a concentration of argon can make the heat distribution in the combustion chamber variable during operation of the device.
  • argon is an expensive and difficult gas to produce.
  • the oxidant injected into the combustion chamber may advantageously comprise at least 20% by volume of oxygen.
  • the oxidizer may also include argon or other rare gases present in the atmosphere.
  • Combustion advantageously takes place with a ratio between the quantity of oxygen and the quantity of fuel higher, in particular by 15%, than the ratio between the quantity of oxygen and the quantity of fuel for stoichiometric combustion.
  • This Oxygen boost helps improve the quality of combustion, reducing the production of fine particles.
  • the device can operate with fuels of fossil or vegetable origin, or mixtures of fuels of fossil origin and of vegetable origin, or in certain situations, in degraded mode, without using the oxygen concentrator or not using it. using only partially.
  • the device can also work with synthetic fuels, for example with hydrogen.
  • Said fuel can be diesel, in particular biodiesel, ethanol, gasoline, hydrogen or a mixture thereof.
  • the device can operate with biodiesel or biofuel.
  • the fuel in particular biodiesel or bio-fuel oil, may comprise a methyl ester.
  • Biodiesel means diesel of plant origin, in particular produced from rapeseed or sunflower seeds.
  • Bio-fuel oil means fuel oil of vegetable origin, in particular produced from rapeseed or sunflower seeds.
  • the device may comprise a system for ozonizing the oxidizer produced by the oxygen concentrator and/or the gas contained in the oxidizer tank.
  • an intake system for introducing a fuel and an oxidizer into said at least one combustion chamber.
  • the kit includes:
  • the intake connection can be inserted into the air filter casing to replace a filter air.
  • hybrid or rechargeable hybrid motorization system comprising at least one device according to the invention, as defined previously, said at least one device being a motor, and at least one additional electric motor.
  • Such a hybrid engine system makes it possible to combine the advantages of the engine according to the invention, that is to say with little or no production of fine particles and nitrogen oxides, while optimizing the specific consumption.
  • Specific fuel consumption is the amount of fuel needed to produce a given amount of energy. Specific fuel consumption varies with engine speed and load.
  • Another subject of the invention is a boiler comprising a device according to the invention, as defined previously.
  • the boiler can be used, for example, for heating industrial or heating units or for regenerating oxidizers or fuels from fuel cells.
  • FIG 1 Figure 1 schematically shows a device forming a heat engine according to the invention
  • FIG 2 Figure 2 schematically shows a device forming a boiler according to the invention
  • Figure 3 recalls the chemical reaction for the production of biodiesel
  • Figure 4 shows, schematically and partially, a device similar to that of Figure 1, and
  • FIG 5 schematically shows an example of a hybrid motorization system according to the invention.
  • FIG. 1 There is illustrated in Figures 1 and 2 two combustion devices 1 according to the invention.
  • the example in Figure 1 corresponds to a 60 four-stroke engine and the example in Figure 2 to a 70 oil-fired boiler.
  • Each device 1 comprises a zeolite oxygen concentrator 2, producing a nitrogen-free oxidant 6 from an atmospheric gas mixture.
  • the oxidant 6 produced comprises for example at least 99% oxygen.
  • the oxygen concentrator 2 is supplied with an atmospheric gas mixture filtered by an Air Purifier by UV Photocatalysis.
  • the oxygen concentrator 2 is supplied with compressed atmospheric gas mixture using a compressor 363.
  • the oxidant 6 produced by the oxygen concentrator 2 is compressed using a compressor 364, for example a turbo-compressor, at the outlet of the oxygen concentrator 2.
  • the oxygen concentrator 2 comprises, for example, a zeolite regeneration system.
  • Each device 1 comprises a fuel source 4 in a tank 3.
  • the tank 3 is filled with a biodiesel and in the example of figure 2 with bio-fuel oil.
  • the devices 1 can also operate if necessary with fuels of fossil origin, or with mixtures of fuels of fossil origin and of vegetable origin, or with synthetic fuels, for example hydrogen.
  • biodiesel is obtained, in a manner known per se, by a chemical reaction between triglyceride 100, originating from rapeseed or sunflower seeds for example, with methanol 101. This reaction produces glycerol 102 ( alcohol) and methyl esters 103 (biodiesel).
  • Each device 1 also comprises a combustion chamber 5 for a mixture of fuel 4 and a mixture of oxidant 390 formed from a mixture of oxidant 6 produced by the oxygen concentrator 2 and/or of gases contained in the tank 90 and/or, in some cases, outside air.
  • the combustion chamber 5 comprises a hollow cylinder 15 in which a piston 21 slides to transmit part of the combustion energy to a power transmission shaft 22, using connecting rods 23.
  • the combustion chamber 5 includes a heat exchanger 30, for example with a heating water circuit.
  • Each device 1 comprises a reservoir 90 of pressurized oxidizer, the useful volume of which is between 1 1 and 20 1. Said reservoir 90 is, before the start-up of the device 1, filled with dioxygen, air enriched with dioxygen, and/ or exhaust gas enriched in dioxygen.
  • the tank 90 comprises, for example, at most 10% by mass of nitrogen and nitrogen compounds and at least 20% of dioxygen.
  • the tank 90 is, for example, partially fed and filled with exhaust gas.
  • the device 1 comprises a regulating valve 300 making it possible to control the exhaust gas supply flow rate in the tank 90, the valve 300 being controlled so that the proportion by mass of nitrogen and of nitrogenous compounds in said reservoir 90 remains below 10%, and the oxygen concentration above another predefined threshold, for example above 20%.
  • Device 1 comprises an exhaust gas compressor 302 between combustion chamber 5 and reservoir 90.
  • This compressor 302 is, in the device la of FIG. 1, a turbocharger positioned downstream of the valve 300.
  • the compressor is positioned upstream of the valve 300.
  • the reservoir 90 includes at its outlet a replenishment loop 360 allowing the gases leaving the reservoir 90 to be reintroduced into the reservoir 90.
  • This replenishment loop 360 may include a valve 361 which makes it possible to regulate from 0% to 100% its opening.
  • Such a replenishment loop 360 makes it possible to homogenize the gases extracted from the tank 90 which are sent to the combustion chamber 5.
  • Reservoir 90 is, for example, also partially supplied and filled by said at least one oxygen concentrator 2.
  • Reservoir 90 can temporarily supply said combustion chamber 5 with a quantity of oxidant in excess of the production capacity of oxygen concentrator 2 via line 308.
  • the device la comprises a valve 301 which, in certain configurations, makes it possible to fill the tank 90 with oxidizer 6 produced by the oxygen concentrator 2.
  • the reservoir 90 includes an inlet valve 91 directly connected to the oxygen concentrator 2 and allowing the reservoir 90 to be filled.
  • Reservoir 90 is, for example, at a pressure of 2 bar.
  • the tank 90 comprises for example a system making it possible to maintain it under pressure, for example by dynamically reducing the volume of the tank 90, for example using a sliding piston in a cylinder or with an inflatable bladder.
  • Reservoir 90 is maintained at a pressure of 2 bar when device 1 is stopped.
  • the tank 90 comprises several enclosures 370, for example three, maintained at different pressures in particular to allow it to accumulate large quantities of oxidizer in the enclosures 370 more under pressure, while the exhaust gas used directly as oxidizer does not need to be compressed as much.
  • the most pressurized enclosure 370 is the one at the inlet of the tank 90, the least pressurized is the one at the outlet and the intermediate enclosure is at an intermediate pressure.
  • Reservoir 90 may include regulators 371 between enclosures 370.
  • a pipe 500 can go from the compressor 364 to each of the enclosures 370 of the tank 90.
  • This pipe 500 comprises a series of valves 501, for example three, each allowing the supply of oxygen in a respective enclosure 370. In this case, a fine control of the quantity of oxygen supplied to the tank 90 can be achieved.
  • Each device 1 also comprises an intake system 10 making it possible to introduce in predetermined proportions a mixture of fuel 4 and mixture of oxidizers 390 into the combustion chamber 5.
  • the intake system 10 typically comprises a fuel injector 11 4, an intake butterfly valve 12 and an exhaust butterfly valve 13.
  • the intake system 10 makes it possible to carry out different stages of the cycle of each device 1, namely the injection of the fuel 4 and of the mixture of oxidizers 390 into the combustion chamber 5 and, after combustion, the exhaust of the combustion gases. 'exhaust.
  • the admission system 10 makes it possible, for example, to stop or limit the introduction into the combustion chamber 5 of gases contained in the tank 90 if the mass proportion of nitrogen and nitrogenous components in the mixture of oxidizers 390 and /or the tank 90 is greater than a predefined threshold, for example is greater than 10%.
  • the admission system 10 makes it possible, for example, to stop or limit the introduction into the combustion chamber 5 of gases contained in the tank 90 if the proportion by mass of oxygen in said tank 90 or in the mixture of oxidants 390 is below a predefined threshold, for example below 20%.
  • the intake system 10 comprises a casing 40 for an air filter comprising two openings respectively for the inlet 41 and the outlet 42 of the air flow.
  • the opening 41 is preferably closed but can be opened in particular in the event of failure of the device supplying the mixture of oxidizers 390.
  • Each device 1 comprises an inlet connection 45 inserted in the casing 40 for the air filter.
  • the link admission 45 allows a flow of the mixture of oxidizers 390 of oxidizer 6 of said at least one oxygen concentrator 2 and/or of gas contained in the tank 90 towards the combustion chamber 5 through the opening 42 of the casing forming an exit.
  • the oxygen concentrator 2 includes a system for filtering the atmospheric gas mixture.
  • the device 1 also comprises an exhaust connection 305 connected to the outlet of the combustion chamber 5.
  • the exhaust connection 305 as illustrated in FIGS. 1 and 2, makes it possible to divide the flow of exhaust gases, coming combustion in the combustion chamber 5, to supply, at least occasionally, the tank 90 with exhaust gas.
  • the flow of exhaust gases is divided into two in a main pipe 306, in which the exhaust gases will be evacuated to the outside, and in an auxiliary pipe 307, to feed the tank 90, when necessary. .
  • the tank 90 may include an air inlet 366 compressed with a compressor 367.
  • the tank 90 can thus be supplied and filled, at least in part, with air, in particular in the event of demand. increased in oxidant, for example when said tank 90 is empty and the oxidant requirements are greater than the production capacity of the oxygen concentrator 2.
  • the compressor 367 is reversible which can make it possible to empty the tank 90, in particular following the detection of a rate of presence of nitrogen and nitrogenous compounds greater than a prefixed threshold, for example greater than 10% by volume , in particular greater than 5% by volume, preferably greater than 1% by volume.
  • valve 301 allows the reservoir 90 to be supplied by the oxygen concentrator 2 or to supply the intake system 10 with a mixture of oxidant 6 produced by the oxygen concentrator. oxygen 2 and gas contained in tank 90. Valve 301 can allow oxygen concentrator 2 to supply intake system 10 and tank 90 in parallel.
  • the tank 90 includes a supply valve 92 for supplying gases contained in the tank 90 to the intake system 10.
  • intake system 10 may include an additional air inlet 365, independent of oxygen concentrator 2 and reservoir 90.
  • the oxidant which enters the combustion chamber 5 can come only from the reservoir 90 or only from the oxygen concentrator 2 or only from the air inlet 365.
  • the tank 90 comprises, for example, at least 80% of exhaust gases at nominal speed.
  • the intake system introduces, for example, at least 20% by mass of the gas contained in the reservoir 90 into the combustion chamber 5, these gases forming a so-called carrier gas.
  • the carrier gas is, for example, composed of at least 80% by mass of oxygen and carbon dioxide and comprises less than 1% by mass of argon.
  • the carrier gas comprises, in nominal conditions, at least 70% by mass of carbon dioxide.
  • the device 1 of FIG. 1 comprises a probe 80, preferably placed at an inlet 81 of the mixture of oxidizers 390 in the admission system 10.
  • the probe 80 makes it possible to measure the oxygen concentration of the mixture as well as its pressure and its volume flow rate.
  • the probe 80 communicates with a control unit 82 making it possible, depending on the data measured by the probe 80, to dynamically adjust the speed of rotation of an oxidizer compressor 85 arranged after the oxygen concentrator 2 and tank 90, to optimize combustion in said at least one combustion chamber 5.
  • the device 1 can also comprise one or more sensors, among which: a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber 5 the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular of NOx, contained in the exhaust gas, a sensor making it possible to detect the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the mixture of oxidizers 390 at the inlet of the admission system 10, a sensor making it possible to detect the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the reservoir 90, a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber 5 the proportion of dioxygen contained in the exhaust gas, a sensor making it possible to detect the proportion of dioxygen contained in the tank 90, a sensor making it possible to detect at the outlet of the oxygen concentrator 2 the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the oxidizer 6, a sensor making it possible to detect at the outlet of the oxygen concentrator 2 the proportion of dioxygen contained in the oxidizer 6.
  • Device 1 can be regulated by control unit 82 using information from the aforementioned sensor(s) and probe 80.
  • Device 1b in FIG. 2 comprises an ozonation system 310 for oxidizer 6 and/or gas contained in reservoir 90 upstream of intake butterfly valve 12 and downstream of supply valve 92.
  • Each device 1 of Figures 1 and 2 comprises an exhaust gas recirculation system 20, called EGR system.
  • This system 20 makes it possible to inject gases from a previous combustion into the combustion chamber 5, for example to optimize combustion in the combustion chamber 5.
  • the device 1b of FIG. 2 comprises a start-up system 350 configured to start the device 1.
  • the start-up system 350 supplies, before or during start-up, the reservoir 90 with air enriched with oxygen, or with oxygen using the concentrator of oxygen 2 before any combustion in the combustion chamber 5.
  • the device la is obtained by modifying a combustion device operating with a mixture of fuel and air, compressed or not, in this example a diesel engine of a production car.
  • a diesel engine of a production car In this example, the diesel engine air filter from a production car has been replaced with intake link 45.
  • combustion chamber outlet is modified to add the 305 exhaust link.
  • the operation of certain systems of the combustion device 1, in particular the intake system 10 can be adapted, for example to manage supplying tank 90, to introduce gases contained in tank 90 into combustion chamber 5, by modifying the quantity of fuel 4 injected, the quantity of oxidant mixture 390 injected, the ratio between fuel 4 and the mixture of oxidizers 390, and/or, if necessary, the opening of the exhaust gas recirculation system.
  • the modification is obtained by using a kit 50 according to the invention comprising the oxygen concentrator 2, the reservoir 90, the intake link 45 and the exhaust link 305.
  • the original air intake 510 is retained.
  • motor 60 produces an average power of 73 kW, or about 100 horsepower.
  • the chemical formula of biodiesel is C12H24 and its lower calorific value, or LCV, is 37.8 MJ/kg, its molar calorific value is 6.38 MJ/mol.
  • the engine 60 in this example consumes approximately 11.4 mmol/s of fuel 4.
  • the engine 60 consumes approximately 68.6 mmol/s of dioxygen, i.e. approximately 1.521/s at atmospheric pressure.
  • the concentrator Knowing that with 0.55 1 of zeolites it is possible to produce approximately 0.033 1/s of oxygen at atmospheric pressure, it is sufficient for the concentrator to contain at least approximately 25 1 of zeolites, i.e. 0.34 L of zeolites for 1 kW of engine power.
  • the oxygen concentrator 2 preferably comprises 30L of zeolites.
  • the device 1 is also possible to use the device 1 according to the invention in a hybrid motorization system 200 as for example represented in FIG. 5, the device 1 being, for example, a hydrogen engine 60 .
  • the engine 60 transmits its power to an electric generator
  • the battery powers an electric motor 203 which transmits mechanical power to a wheel 205 using a shaft 204.
  • the operation of the engine may be different, for example two-stroke.
  • Mechanical power can be transmitted directly from the connected drive shaft to a generating electromechanical device or motor to generate electricity and fill a battery or alternatively use battery electricity to propel or help propel a vehicle .
  • the number of combustion chambers can be different, for example be between 2 and 10.
  • the device can operate with another fuel, for example a non-nitrogen gas, gasoline, ethanol or fuel oil.
  • another fuel for example a non-nitrogen gas, gasoline, ethanol or fuel oil.
  • the hybrid motorization system can be different, for example include other electric motors or operate in series.
  • the device may comprise a plurality of reservoirs 90, for example between 2 and 5 reservoirs 90.

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Abstract

The invention relates to a combustion device (1) comprising: - at least one oxygen concentrator (2) producing a substantially nitrogen-free fuel (6) from a mixture of atmospheric gases; - a fuel source (4); - at least one combustion chamber (5), - an oxidiser tank (90), which is preferably pressurised, the oxidiser tank (90) being, before starting the device (1), filled with dioxygen, dioxygen-enriched air, and/or dioxygen-enriched exhaust gas, the oxidiser tank (90) comprising at most 20% by weight, preferably at most 10% by weight, of nitrogen and nitrogenous compounds, an intake system (10) enabling a mixture of fuel (4), oxidiser (6) produced by the oxygen concentrator (2) and gases contained in the oxidiser tank (90) to be introduced into the combustion chamber (5) in predetermined proportions.

Description

Description Description
Titre : Dispositif à combustion comportant un concentrateur d’oxygène. Title: Combustion device comprising an oxygen concentrator.
Domaine technique Technical area
La présente invention concerne le domaine des machines à combustion et autres dispositifs à combustion, notamment pour la propulsion, la traction automobile ou le chauffage. L’invention concerne en particulier un dispositif à combustion et un système de motorisation hybride comportant un tel dispositif. The present invention relates to the field of combustion engines and other combustion devices, in particular for propulsion, automotive traction or heating. The invention relates in particular to a combustion device and a hybrid motorization system comprising such a device.
Technique antérieure Prior technique
Les dispositifs à combustion fonctionnent en transformant la chaleur produite par la combustion d’un mélange de gaz atmosphériques et de carburant en énergie mécanique et/ou de chauffage. Combustion devices work by converting the heat produced by the combustion of a mixture of atmospheric gases and fuel into mechanical and/or heating energy.
Du fait de la combustion du carburant et du comburant en présence de diazote contenu dans l’air, des oxydes d’azote souvent appelés NOx sont formés. Due to the combustion of fuel and oxidizer in the presence of nitrogen contained in the air, nitrogen oxides often called NOx are formed.
De plus, certains carburants, comme le gazole ou le fioul, comportent également des molécules d’azote, ce qui augmente, lors de la combustion, la production d’oxydes d’azote. Ces composés sont particulièrement polluants et dangereux pour la santé. In addition, some fuels, such as diesel or fuel oil, also contain nitrogen molecules, which increases the production of nitrogen oxides during combustion. These compounds are particularly polluting and dangerous to health.
Pour limiter le rejet d’oxydes d’azote, il est connu d’utiliser des catalyseurs ou une réduction catalytique sélective. To limit the release of nitrogen oxides, it is known to use catalysts or selective catalytic reduction.
Ces technologies augmentent le coût d’utilisation et contraignent la circulation des gaz d’échappement en introduisant des pertes de charge, réduisant le rendement du dispositif. These technologies increase the cost of use and restrict the circulation of exhaust gases by introducing pressure drops, reducing the efficiency of the device.
Le brevet US 6 742 507 décrit un moteur à combustion interne alimenté par un comburant riche en oxygène produit avec un concentrateur d’oxygène à zéolithes. Le moteur peut fonctionner avec de l’essence, de l’hydrogène, du gazole ou encore de l’alcool. La combinaison du concentrateur d’oxygène et d’un carburant non azoté, comme de l’alcool ou de l’hydrogène, permet de fortement limiter la production d’oxydes d’azote et de particules fines. Cependant le moteur ne permet pas toujours de fournir rapidement le comburant nécessaire, par exemple pour une accélération, lors de laquelle la puissance développée par le moteur peut être décuplée, ou encore fournir du comburant lors du démarrage, le moteur ne produisant alors pas de gaz d’échappement. Le moteur nécessite alors soit un apport d’air soit un concentrateur d’oxygène surdimensionné capable de fournir de l’oxygène en quantité égale à la quantité d’air nécessaire lors de cette phase de démarrage. En effet, en absence d’un volume de comburant nécessaire, habituellement composé d’air, le moteur risque de s’échauffer ou la combustion d‘être anormalement violente. US Pat. No. 6,742,507 describes an internal combustion engine powered by an oxygen-rich oxidant produced with a zeolite oxygen concentrator. The engine can run on gasoline, hydrogen, diesel or even alcohol. The combination of the oxygen concentrator and a nitrogen-free fuel, such as alcohol or hydrogen, greatly limits the production of nitrogen oxides and fine particles. However, the engine does not always allow the necessary oxidizer to be quickly supplied, for example for acceleration, during which the power developed by the engine can be increased tenfold, or even to supply oxidizer during start-up, the engine then not producing any gas. exhaust. The engine then requires either an air supply or an oversized oxygen concentrator capable of supplying oxygen in a quantity equal to the quantity of air required during this start-up phase. Indeed, in the absence of a necessary volume of oxidizer, usually composed of air, the engine risks overheating or the combustion being abnormally violent.
US 2011/023841 décrit une unité de combustion dans laquelle un combustible est brûlé avec un gaz porteur comportant une concentration importante d'argon. Un tel gaz porteur est cependant peu adapté car l’argon est un gaz coûteux et nécessite d’être conservé dans une bouteille spéciale, ce qui complique l’utilisation d’un véhicule utilisant un tel dispositif. US 2011/023841 describes a combustion unit in which a fuel is burned with a carrier gas comprising a high concentration of argon. Such a carrier gas is however unsuitable because argon is an expensive gas and needs to be stored in a special bottle, which complicates the use of a vehicle using such a device.
Il existe un besoin de disposer d’un dispositif à combustion limitant la production d’oxydes d’azote pouvant être adapté sur un moteur existant et ainsi profiter dans la mesure du possible des capacités de production actuelles des constructeurs tout en conservant une durée de vie importante du dispositif. There is a need to have a combustion device limiting the production of nitrogen oxides that can be adapted to an existing engine and thus take advantage as far as possible of the current production capacities of manufacturers while maintaining a service life important to the device.
Exposé de l’invention Disclosure of Invention
La présente invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient en tout ou partie grâce à, selon l’un de ses aspects, un dispositif à combustion comportant : The present invention aims to meet this need and it achieves this in whole or in part thanks to, according to one of its aspects, a combustion device comprising:
- au moins un concentrateur d’oxygène produisant un comburant sensiblement non-azoté à partir d’un mélange gazeux atmosphérique, - at least one oxygen concentrator producing a substantially nitrogen-free oxidizer from an atmospheric gas mixture,
- une source de carburant, - a source of fuel,
- au moins une chambre de combustion, - at least one combustion chamber,
- un réservoir de comburant, de préférence sous pression, ledit réservoir de comburant étant de préférence, avant le démarrage du dispositif, rempli de dioxygène, d’air enrichi en dioxygène, et/ou de gaz d’échappement enrichi en dioxygène, le réservoir de comburant comportant au plus 20%, mieux au plus 10%, encore mieux au plus 5% en masse d’azote et de composés azotés, - an oxidizer tank, preferably under pressure, said oxidizer tank preferably being, before starting the device, filled with dioxygen, oxygen-enriched air, and/or dioxygen-enriched exhaust gas, the tank of oxidizer comprising at most 20%, better still at most 10%, even better still at most 5% by mass of nitrogen and nitrogen compounds,
- un système d’admission permettant d’introduire, dans des proportions prédéterminées, un mélange de carburant, de comburant produit par le concentrateur d’oxygène et de gaz contenus dans le réservoir de comburant dans ladite au moins une chambre de combustion. - an intake system for introducing, in predetermined proportions, a mixture of fuel, oxidizer produced by the oxygen concentrator and gas contained in the oxidizer tank into said at least one combustion chamber.
Par « sensiblement non-azoté » il faut comprendre que la teneur résiduelle en diazote et en composés azotés, notamment des oxydes d’azote, à pression atmosphérique et à 20°C est inférieure ou égal à 10% volumique, mieux à 5% encore mieux à 1%. L’utilisation d’un concentrateur d’oxygène permet de fortement réduire la production de particules fines et d’oxydes d’azote. En effet, du fait de la quantité importante de comburant, le mélange de carburant et de comburant est légèrement pauvre en carburant, ce qui favorise une bonne combustion. De plus, la quantité d’azote dans le mélange de carburant et de comburant est fortement réduite, voire nulle. By "substantially nitrogen-free" it should be understood that the residual content of nitrogen and nitrogen compounds, in particular nitrogen oxides, at atmospheric pressure and at 20° C. is less than or equal to 10% by volume, better still 5% better at 1%. The use of an oxygen concentrator greatly reduces the production of fine particles and nitrogen oxides. Indeed, due to the large amount of oxidizer, the mixture of fuel and oxidizer is slightly lean in fuel, which promotes good combustion. In addition, the amount of nitrogen in the mixture of fuel and oxidizer is greatly reduced, or even zero.
Ainsi, le besoin de recourir à des filtres à particules et à des catalyseurs pour traiter les fumées ou gaz d’échappement est limité, voire nul. La circulation des gaz d’échappement est également facilitée. Thus, the need to use particulate filters and catalysts to treat exhaust fumes or gases is limited, if not zero. The circulation of exhaust gases is also facilitated.
De plus, étant donné qu’au démarrage le réservoir de comburant comporte un gaz concentré en oxygène, ou un mélange de gaz d’échappement sensiblement non azoté et d’oxygène, les premières combustions peuvent être réalisées en limitant la production d’oxydes d’azote et ce avant que le concentrateur d’oxygène atteigne sa pleine charge. In addition, given that on start-up the oxidizer tank contains a gas concentrated in oxygen, or a mixture of substantially non-nitrogenous exhaust gases and oxygen, the first combustions can be carried out by limiting the production of oxides of nitrogen before the oxygen concentrator reaches full charge.
Ce réservoir de comburant permet aussi au dispositif d’être plus réactif au changement de charge et de régime, phases dans lesquelles la quantité de comburant produite par le concentrateur d’oxygène peut ne pas être suffisante pendant un cours instant de changement de régime. This oxidizer reservoir also allows the device to be more responsive to changes in load and speed, phases in which the quantity of oxidizer produced by the oxygen concentrator may not be sufficient during a short instant of change of speed.
Lors des baisses de régime et/ou de charge du dispositif, le concentrateur d’oxygène peut produire un excès de comburant le temps qu’il s’adapte aux changements. Cette quantité en excès peut servir à alimenter le réservoir de comburant. During decreases in RPM and/or device load, the oxygen concentrator may produce excess oxidizer as it adjusts to the changes. This excess quantity can be used to feed the oxidizer tank.
L’impact environnemental du dispositif selon l’invention est donc réduit par rapport aux arts antérieurs précédemment cités. The environmental impact of the device according to the invention is therefore reduced compared to the prior arts mentioned above.
Le dispositif peut être un moteur à combustion ou une chaudière. The device can be a combustion engine or a boiler.
Le dispositif selon l’invention peut servir pour la propulsion ou la traction automobile, de manière directe ou indirecte. Le dispositif peut encore être utilisé comme générateur électrique ou pour produire une énergie mécanique ou de la chaleur, par exemple pour l’industrie ou les particuliers. The device according to the invention can be used for automobile propulsion or traction, directly or indirectly. The device can also be used as an electrical generator or to produce mechanical energy or heat, for example for industry or individuals.
Le dispositif comporte, de préférence, un système de recirculation des gaz d’échappement, dit « EGR ». The device preferably comprises an exhaust gas recirculation system, called “EGR”.
Lorsqu’il s’agit d’un moteur, ladite au moins une chambre de combustion peut comporter un cylindre creux, le moteur comportant un piston coulissant dans ledit cylindre. In the case of an engine, said at least one combustion chamber may comprise a hollow cylinder, the engine comprising a piston sliding in said cylinder.
Lorsqu’il s’agit d’un moteur, le dispositif peut comporter un arbre de transmission de puissance. Le dispositif peut comporter un système de démarrage configuré pour démarrer le dispositif, le système de démarrage alimentant le réservoir de comburant en air enrichi en dioxygène, ou en dioxygène à l’aide du concentrateur d’oxygène avant toute combustion. In the case of an engine, the device may include a power transmission shaft. The device may comprise a start-up system configured to start the device, the start-up system supplying the oxidizer tank with air enriched with dioxygen, or with dioxygen using the oxygen concentrator before any combustion.
Capteurs Sensors
Le dispositif peut comporter un ou plusieurs capteurs, parmi lesquels : un capteur permettant de détecter en sortie de la chambre de combustion la proportion de diazote ou de composés azotés, notamment de NOx, contenus dans le gaz d’échappement, un capteur permettant de détecter la proportion de diazote ou de composés azotés, notamment de NOx, contenus dans le réservoir de comburant, un capteur permettant de détecter en sortie de la chambre de combustion la proportion de dioxygène contenu dans le gaz d’échappement, un capteur permettant de détecter la proportion de dioxygène contenu dans le réservoir de comburant, un capteur permettant de détecter en sortie du concentrateur d’oxygène la proportion de diazote ou de composés azotés, notamment de NOx, contenus dans le comburant, un capteur permettant de détecter en sortie du concentrateur d’oxygène la proportion de dioxygène contenu dans le comburant. The device may comprise one or more sensors, including: a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the exhaust gas, a sensor making it possible to detect the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the oxidizer tank, a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber the proportion of dioxygen contained in the exhaust gas, a sensor making it possible to detect the proportion of dioxygen contained in the oxidizer tank, a sensor making it possible to detect at the outlet of the oxygen concentrator the proportion of dinitrogen or of nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the oxidizer, a sensor making it possible to detect at the outlet of the oxygen concentrator oxygen the proportion of dioxygen contained in the oxidizer.
Le dispositif peut comporter une unité de contrôle permettant la régulation du dispositif, notamment à l’aide d’informations provenant du ou des capteurs précités. The device may comprise a control unit allowing regulation of the device, in particular using information coming from the aforementioned sensor or sensors.
Concentrateur d’oxygène Oxygen concentrator
Le concentrateur d’oxygène comporte, de préférence, au moins 0,3 L de zéolithes pour 1 kW de puissance moteur ou calorifique moyen, c’est-à-dire développée en moyenne par le dispositif, par exemple un moteur ou une chaudière, durant son utilisation. The oxygen concentrator preferably comprises at least 0.3 L of zeolites per 1 kW of average engine or calorific power, that is to say developed on average by the device, for example an engine or a boiler, during its use.
La concentration d’oxygène peut être faite en une ou plusieurs étapes. Il est possible d’utiliser plusieurs concentrateurs d’oxygène en parallèle ou en série afin de répartir le volume de zéolithes. L’utilisation de concentrateurs d’oxygène en série permet d’obtenir une plus grande pureté en oxygène. Oxygen concentration can be done in one or more steps. It is possible to use several oxygen concentrators in parallel or in series in order to distribute the volume of zeolites. Using oxygen concentrators in series results in higher oxygen purity.
Par exemple, un premier concentrateur peut générer un gaz concentré à 95% en oxygène et un second concentrateur générant un gaz concentré à 99% en oxygène à partir du gaz concentré à 95% en oxygène. Le concentrateur d’oxygène est avantageusement alimenté en mélange gazeux atmosphérique filtré par un Purificateur d’Air par Photocatalyse UV permettant notamment d’éliminer les traces d’oxydes d’azote présentes dans l’air, par exemple en utilisant un dispositif similaire au « Purificateur d’Air par Photocatalyse UV-C » de Biotray®, la lampe à UV-C pouvant aussi être une lampe à UV émettant sur des longueurs d’ondes inferieures à 390 nm. For example, a first concentrator can generate a gas concentrated at 95% oxygen and a second concentrator generates a gas concentrated at 99% oxygen from the gas concentrated at 95% oxygen. The oxygen concentrator is advantageously supplied with an atmospheric gas mixture filtered by an Air Purifier by UV Photocatalysis allowing in particular to eliminate the traces of nitrogen oxides present in the air, for example by using a device similar to the " Biotray® UV-C Photocatalysis Air Purifier, the UV-C lamp can also be a UV lamp emitting at wavelengths below 390 nm.
Le moteur peut comporter un système de régénération des zéolithes afin de maintenir une bonne filtration des particules d’azote. Lors de la régénération, le dispositif peut être alimenté en comburant grâce aux gaz accumulés dans le réservoir de comburant. The engine may include a zeolite regeneration system in order to maintain good filtration of nitrogen particles. During regeneration, the device can be supplied with oxidizer thanks to the gases accumulated in the oxidizer tank.
Réservoir de comburant Fuel tank
Le réservoir peut être, au moins en partie, alimenté et rempli par ledit au moins un concentrateur d’oxygène. Le concentrateur d’oxygène peut servir à remplir le réservoir de comburant si celui-ci est vide ou après que celui-ci ait été vidé suite à la détection d’un taux de présence d’azote et/ou de composés azotés supérieur à un seuil préfixé, par exemple de 1%. The tank can be, at least in part, fed and filled by said at least one oxygen concentrator. The oxygen concentrator can be used to fill the tank with oxidizer if it is empty or after it has been emptied following the detection of a rate of presence of nitrogen and/or nitrogen compounds greater than a prefixed threshold, for example 1%.
Le réservoir de comburant peut être vidé suite à la détection d’un taux de présence d’azote et/ou de composés azotés supérieur à un seuil préfixé, par exemple supérieur à 10% en volume, notamment supérieur à 5% en volume, de préférence supérieur à 1% en volume. The oxidizer tank can be emptied following the detection of a rate of presence of nitrogen and/or nitrogenous compounds greater than a prefixed threshold, for example greater than 10% by volume, in particular greater than 5% by volume, of preferably greater than 1% by volume.
Le réservoir de comburant, de préférence sous pression, peut avantageusement fournir momentanément à ladite au moins une chambre de combustion une quantité de comburant en excès de la capacité de production dudit au moins un concentreur d’oxygène. The oxidant reservoir, preferably under pressure, can advantageously temporarily supply said at least one combustion chamber with a quantity of oxidant in excess of the production capacity of said at least one oxygen concentrator.
Le réservoir de comburant peut être alimenté et rempli, au moins en partie, en air, notamment en cas de demande accrue en comburant, par exemple quand ledit réservoir est vide et que les besoins en comburant sont supérieurs à la capacité de production du concentrateur d’oxygène. The oxidizer tank can be supplied and filled, at least in part, with air, in particular in the event of increased demand for oxidizer, for example when said tank is empty and the oxidizer requirements are greater than the production capacity of the concentrator. 'oxygen.
Le réservoir de comburant peut être alimenté et rempli, au moins en partie, en gaz d’échappement, notamment lors du fonctionnement du dispositif. The oxidizer tank can be fed and filled, at least in part, with exhaust gas, in particular during operation of the device.
Dans ce cas, le dispositif peut comporter une vanne de régulation permettant de contrôler le débit d’alimentation en gaz d’échappement dans le réservoir de comburant. In this case, the device may include a regulating valve making it possible to control the exhaust gas supply flow rate in the oxidizer tank.
Ladite vanne de régulation peut être contrôlée de manière à ce que la proportion en masse d’azote et de composés azotés dans ledit réservoir de comburant reste inférieure à 20%, mieux inférieure à 10%, mieux inférieure à 5%, de préférence inférieure à 1%, et la concentration en dioxygène supérieure à un autre seuil prédéfini, notamment au moins 10% en masse, voire au moins 20%, mieux au moins 30% de dioxygène. Said regulating valve can be controlled so that the mass proportion of nitrogen and nitrogenous compounds in said oxidizer tank remains below 20%, better less than 10%, better less than 5%, preferably less than 1%, and the oxygen concentration greater than another predefined threshold, in particular at least 10% by mass, or even at least 20%, better at less than 30% oxygen.
Le réservoir de comburant peut être alimenté et rempli par ledit au moins un concentrateur d’oxygène et en gaz d’échappement, notamment lors du fonctionnement du dispositif, de manière simultanée ou alternative. The oxidizer tank can be supplied and filled by said at least one oxygen concentrator and with exhaust gas, in particular during operation of the device, simultaneously or alternately.
Le réservoir de comburant peut être à une pression supérieure à 1 bar, notamment supérieure à 2 bar. Le réservoir de comburant peut comporter un système permettant de le maintenir sous pression, par exemple en réduisant dynamiquement le volume du réservoir, et/ou par des compresseurs compressant un ou plusieurs des gaz qui le remplissent. The oxidizer tank may be at a pressure greater than 1 bar, in particular greater than 2 bar. The oxidizer tank may comprise a system making it possible to keep it under pressure, for example by dynamically reducing the volume of the tank, and/or by compressors compressing one or more of the gases which fill it.
Le réservoir de comburant peut comporter un détendeur, lui permettant de comprimer le gaz au-delà de ses pressions d’utilisation, et/ou comporter plusieurs enceintes maintenues à des pressions différentes notamment pour lui permettre d’accumuler des quantités importantes de comburant dans les enceintes les plus sous pression. The oxidizer tank may include a pressure reducer, allowing it to compress the gas beyond its operating pressures, and/or include several enclosures maintained at different pressures, in particular to allow it to accumulate large quantities of oxidizer in the speakers most under pressure.
Le dispositif peut comporter un compresseur de gaz d’échappement entre la chambre de combustion et le réservoir de comburant. Ce compresseur peut être un turbocompresseur entraîné par une partie des gaz d’échappement. The device may include an exhaust gas compressor between the combustion chamber and the oxidizer tank. This compressor may be a turbocharger driven by part of the exhaust gases.
Le réservoir de comburant peut comporter au moins 50%, mieux au moins 70%, mieux au moins 80% de gaz d’échappement en régime nominal. The oxidizer tank may comprise at least 50%, better still at least 70%, better still at least 80% exhaust gas at rated speed.
Le réservoir de comburant est avantageusement sous pression quand le dispositif est à l’arrêt. The oxidizer tank is advantageously under pressure when the device is stopped.
Le réservoir de comburant peut comporter un volume utile compris entre 1 1 et 201. The oxidizer tank may have a useful volume of between 1 1 and 201.
Système d’admission Admissions system
Le dispositif peut comporter une sonde, disposée de préférence à une entrée dans le système d’admission de comburant produit par le concentrateur d’oxygène et/ou de gaz contenus dans le réservoir de comburant, permettant de mesurer la concentration en oxygène du comburant produit par le concentrateur d’oxygène et/ou du gaz contenus dans le réservoir de comburant ainsi que sa pression et son débit volumique. Une telle sonde peut communiquer avec une unité de contrôle permettant, en fonction des données mesurées par la sonde, d’ajuster dynamiquement une vanne automatique de régulation de pression ou la vitesse de rotation d’un compresseur de comburant issu du réservoir de comburant, et éventuellement du concentrateur d’oxygène et d’air capté à l’extérieur du dispositif, pour optimiser la combustion dans ladite au moins une chambre de combustion. The device may comprise a probe, preferably placed at an inlet into the system for admitting oxidizer produced by the oxygen and/or gas concentrator contained in the oxidizer tank, making it possible to measure the oxygen concentration of the oxidizer produced by the oxygen concentrator and/or the gas contained in the oxidizer tank as well as its pressure and its volume flow rate. Such a probe can communicate with a control unit making it possible, depending on the data measured by the probe, to dynamically adjust an automatic pressure regulation valve or the speed of rotation of an oxidizer compressor coming from the oxidizer tank, and optionally from the oxygen and air concentrator captured outside the device, to optimize combustion in said at least one combustion chamber.
Le système d’admission peut permettre de stopper ou limiter l’introduction dans la chambre de combustion de gaz contenus dans le réservoir de comburant si la proportion en masse d’azote et de composants azotés dans ledit réservoir de comburant est supérieure à un seuil prédéfini, notamment supérieure à 20%, mieux supérieure à 10%, encore mieux supérieure à 5%. The intake system can make it possible to stop or limit the introduction into the combustion chamber of gases contained in the oxidizer tank if the mass proportion of nitrogen and nitrogenous components in said oxidizer tank is greater than a predefined threshold , in particular greater than 20%, better still greater than 10%, even better greater than 5%.
Le système d’admission peut permettre de stopper ou limiter l’introduction dans la chambre de combustion de gaz contenus dans le réservoir de comburant si la proportion en masse de dioxygène dans ledit réservoir de comburant est inférieure à un seuil prédéfini, notamment inférieure à 10%, mieux inférieure à 20%, mieux inférieure à 30%. The admission system can make it possible to stop or limit the introduction into the combustion chamber of gases contained in the oxidizer tank if the mass proportion of oxygen in said oxidizer tank is below a predefined threshold, in particular below 10 %, better less than 20%, better less than 30%.
Le système d’admission peut comporter un carter pour filtre à air comportant deux ouvertures partielles ou totales respectivement d’entrée et de sortie de flux d’air. Un tel carter pour filtre à air peut recevoir un filtre à air. Le flux d’air qui sort du carter pour filtre à air peut ensuite être utilisé comme comburant dans ladite au moins une chambre de combustion. The intake system may comprise a casing for an air filter comprising two partial or total openings respectively for the inlet and the outlet of the air flow. Such an air filter housing can receive an air filter. The flow of air leaving the air filter housing can then be used as oxidizer in said at least one combustion chamber.
Le dispositif peut comporter une liaison d’admission insérée dans le carter pour filtre à air en remplacement du filtre à air. La liaison d’admission permet un flux d’un mélange de comburant dudit au moins un concentrateur d’oxygène et/ou de gaz contenus dans le réservoir de comburant vers ladite au moins une chambre de combustion au travers de l’ouverture partielle ou totale du carter formant une sortie. Dans ce cas, ledit au moins un concentrateur d’oxygène peut comporter un système de filtration du mélange gazeux atmosphérique. The device may comprise an intake connection inserted in the casing for an air filter to replace the air filter. The inlet connection allows a flow of a mixture of oxidizer from said at least one oxygen concentrator and/or gas contained in the oxidizer tank to said at least one combustion chamber through the partial or total opening of the housing forming an outlet. In this case, said at least one oxygen concentrator may include a system for filtering the atmospheric gas mixture.
Le dispositif peut comporter une liaison d’échappement reliée à la sortie de la chambre de combustion. La liaison d’échappement permet de diviser le flux de gaz d’échappement issu de la combustion dans la chambre de combustion pour alimenter, au moins de manière ponctuelle, le réservoir de comburant en gaz d’échappement. The device may comprise an exhaust connection connected to the outlet of the combustion chamber. The exhaust connection makes it possible to divide the flow of exhaust gases resulting from combustion in the combustion chamber to supply, at least occasionally, the oxidizer tank with exhaust gases.
Le dispositif peut être obtenu en modifiant (retrofit) un dispositif à combustion fonctionnant avec un mélange de carburant et d’air, comprimé ou non. Dans ce cas, le filtre à air du dispositif est remplacé par la liaison d’admission précitée et la sortie de la chambre de combustion est reliée à la liaison d’échappement précitée. Le fonctionnement de certains systèmes du dispositif à combustion, notamment le système d’admission, peut être adapté, par exemple pour gérer l’alimentation du réservoir de comburant, pour introduire des gaz contenus dans le réservoir de comburant dans la chambre de combustion, en modifiant la quantité de carburant injectée, la quantité de comburant injectée, le ratio entre carburant et comburant, et/ou, le cas échant, l’ouverture du système de recirculation des gaz d’échappement. The device can be obtained by modifying (retrofitting) a combustion device operating with a mixture of fuel and air, compressed or not. In this case, the air filter of the device is replaced by the aforementioned inlet connection and the outlet of the combustion chamber is connected to the aforementioned exhaust connection. The operation of certain systems of the combustion device, in particular the intake system, can be adapted, for example to manage the supply to the oxidizer tank, to introduce gases contained in the oxidizer tank into the combustion chamber, by modifying the quantity of fuel injected, the quantity of oxidizer injected, the ratio between fuel and oxidizer, and /or, if applicable, the opening of the exhaust gas recirculation system.
Le système d’admission introduit, de préférence, au moins 20% en masse, notamment au moins 40% en masse, de gaz contenus dans le réservoir de comburant dans ladite au moins une chambre de combustion, ces gaz formant un gaz dit porteur. De cette manière, la quantité d’oxygène dans la chambre de combustion peut être réduite, ce qui permet une meilleure diffusion de la combustion dans la chambre. Les gaz contenus dans le réservoir de comburant comportant au plus 20%, mieux au plus 10%, encore mieux au plus 1% en masse d’azote et de composés azotés, la production d’oxydes d’azote reste fortement limitée, malgré l’utilisation du gaz porteur. The intake system preferably introduces at least 20% by mass, in particular at least 40% by mass, of gases contained in the oxidizer tank into said at least one combustion chamber, these gases forming a so-called carrier gas. In this way, the amount of oxygen in the combustion chamber can be reduced, which allows a better diffusion of the combustion in the chamber. The gases contained in the oxidizer tank comprising at most 20%, better still at most 10%, even better still at most 1% by mass of nitrogen and nitrogenous compounds, the production of nitrogen oxides remains greatly limited, despite the use of the carrier gas.
Le gaz porteur est, de préférence, composé d’au moins 70% mieux au moins 80% en masse de dioxygène et de dioxyde de carbone. Le dioxygène et le dioxyde de carbone ayant des capacités thermiques massiques similaires, la répartition de chaleur dans la chambre de combustion est sensiblement constante au cours du fonctionnement du dispositif, malgré les variations de proportions entre le dioxygène et le dioxyde de carbone. The carrier gas is preferably composed of at least 70% better at least 80% by mass of oxygen and carbon dioxide. Since oxygen and carbon dioxide have similar specific heat capacities, the distribution of heat in the combustion chamber is substantially constant during operation of the device, despite the variations in proportions between oxygen and carbon dioxide.
Avantageusement, le gaz porteur comporte moins de 1% en masse d’argon. En effet, la capacité thermique massique de l’argon est bien inférieure à celle du dioxygène. Une concentration trop importante d’argon peut rendre variable la répartition de chaleur dans la chambre de combustion au cours du fonctionnement du dispositif. De plus, l’argon est un gaz coûteux et difficile à produire. Advantageously, the carrier gas comprises less than 1% by mass of argon. Indeed, the specific heat capacity of argon is much lower than that of oxygen. Too high a concentration of argon can make the heat distribution in the combustion chamber variable during operation of the device. In addition, argon is an expensive and difficult gas to produce.
Combustion Combustion
Le comburant injecté dans la chambre de combustion, issu du comburant produit par le concentrateur d’oxygène et/ou de gaz contenus dans le réservoir de comburant et/ou de l’air, peut comporter avantageusement au moins 20% en volume de dioxygène. Le comburant peut également comporter de l’argon ou d’autres gaz rares présents dans l’atmosphère. The oxidant injected into the combustion chamber, originating from the oxidant produced by the oxygen concentrator and/or from gases contained in the oxidizer tank and/or from the air, may advantageously comprise at least 20% by volume of oxygen. The oxidizer may also include argon or other rare gases present in the atmosphere.
La combustion se fait avantageusement avec un ratio entre la quantité de dioxygène et la quantité de carburant supérieur, notamment de 15%, au ratio entre la quantité de dioxygène et la quantité de carburant pour une combustion stoechiométrique. Cette suralimentation en oxygène permet d’améliorer la qualité de la combustion, réduisant la production de particules fines. Combustion advantageously takes place with a ratio between the quantity of oxygen and the quantity of fuel higher, in particular by 15%, than the ratio between the quantity of oxygen and the quantity of fuel for stoichiometric combustion. This Oxygen boost helps improve the quality of combustion, reducing the production of fine particles.
Le dispositif peut fonctionner avec des carburants d’origine fossile ou végétale, ou des mélanges de carburants d’origine fossile et d’origine végétale, ou dans certaines situations, en mode dégradé, sans utiliser le concentrateur d’oxygène ou en ne l’utilisant que partiellement. The device can operate with fuels of fossil or vegetable origin, or mixtures of fuels of fossil origin and of vegetable origin, or in certain situations, in degraded mode, without using the oxygen concentrator or not using it. using only partially.
Le dispositif peut aussi fonctionner avec des carburants synthétiques, par exemple avec de l’hydrogène. The device can also work with synthetic fuels, for example with hydrogen.
Ledit carburant peut être du gazole, notamment du biogazole, de l’éthanol, de l’essence, de l’hydrogène ou un mélange de ceux-ci. Said fuel can be diesel, in particular biodiesel, ethanol, gasoline, hydrogen or a mixture thereof.
Par exemple, le dispositif peut fonctionner avec du biodiesel ou du bio-fioul. Dans ce cas le carburant, notamment le biodiesel ou le bio-fioul, peut comporter un ester méthylique. For example, the device can operate with biodiesel or biofuel. In this case the fuel, in particular biodiesel or bio-fuel oil, may comprise a methyl ester.
Par « biodiesel », on désigne un gazole d’origine végétale, notamment produit à partir de graines de colza ou de tournesol. “Biodiesel” means diesel of plant origin, in particular produced from rapeseed or sunflower seeds.
Par « bio-fioul », on désigne un fioul d’origine végétale, notamment produit à partir de graines de colza ou de tournesol. “Bio-fuel oil” means fuel oil of vegetable origin, in particular produced from rapeseed or sunflower seeds.
Le dispositif peut comporter un système d’ozonisation du comburant produit par le concentrateur d’oxygène et/ou de gaz contenus dans le réservoir de comburant. The device may comprise a system for ozonizing the oxidizer produced by the oxygen concentrator and/or the gas contained in the oxidizer tank.
Kit pour dispositif à combustion Kit for combustion device
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un kit de modification (retrofit) à installer sur un dispositif à combustion existant comportant : Another subject of the invention, according to another of its aspects, independently or in combination with the foregoing, is a modification kit (retrofit) to be installed on an existing combustion device comprising:
- au moins une chambre de combustion d’un mélange de carburant et de comburant, et - at least one combustion chamber for a mixture of fuel and oxidizer, and
- un système d’ admission permettant d’introduire un carburant et un comburant dans ladite au moins une chambre de combustion. - an intake system for introducing a fuel and an oxidizer into said at least one combustion chamber.
Le kit comporte : The kit includes:
- au moins un concentrateur d’oxygène permettant de produire un comburant sensiblement non-azoté à partir d’un mélange gazeux atmosphérique, - at least one oxygen concentrator making it possible to produce a substantially nitrogen-free oxidizer from an atmospheric gaseous mixture,
- un réservoir de comburant, - une liaison d’admission permettant de relier ledit au moins un concentrateur d’oxygène et ledit réservoir de comburant au système d’admission du dispositif à combustion, - an oxidizer tank, - an inlet link making it possible to connect said at least one oxygen concentrator and said oxidizer tank to the inlet system of the combustion device,
- une liaison d’échappement permettant de relier la sortie de la chambre de combustion au réservoir de comburant. - an exhaust connection connecting the outlet of the combustion chamber to the oxidizer tank.
Lorsque le dispositif à combustion comporte un carter à filtre à air, comportant deux ouvertures respectivement d’entrée et de sortie de flux d’air, la liaison d’admission peut être insérée dans le carter pour filtre à air en remplacement d’un filtre à air. When the combustion device comprises an air filter casing, comprising two air flow inlet and outlet openings respectively, the intake connection can be inserted into the air filter casing to replace a filter air.
Système de motorisation hybride Hybrid drive system
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, un système de motorisation hybride ou hybride rechargeable comportant au moins un dispositif selon l’invention, tel que défini précédemment ledit au moins un dispositif étant un moteur, et au moins un moteur électrique additionnel. Another subject of the invention, according to another of its aspects, in combination with the foregoing, is a hybrid or rechargeable hybrid motorization system comprising at least one device according to the invention, as defined previously, said at least one device being a motor, and at least one additional electric motor.
Un tel système de motorisation hybride permet de combiner les avantages du moteur selon l’invention, c’est-à-dire avec peu ou pas de production de particules fines et d’oxydes d’azote, tout en optimisant la consommation spécifique. Such a hybrid engine system makes it possible to combine the advantages of the engine according to the invention, that is to say with little or no production of fine particles and nitrogen oxides, while optimizing the specific consumption.
La consommation spécifique est la quantité de carburant nécessaire pour produire une quantité d’énergie donnée. La consommation spécifique varie en fonction du régime du moteur et de la charge. Specific fuel consumption is the amount of fuel needed to produce a given amount of energy. Specific fuel consumption varies with engine speed and load.
En optimisant la consommation spécifique, la production de dioxyde de carbone est minimisée. By optimizing the specific consumption, the production of carbon dioxide is minimized.
Chaudières Boilers
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, une chaudière comportant un dispositif selon l’invention, tel que défini précédemment. Another subject of the invention, according to another of its aspects, in combination with the foregoing, is a boiler comprising a device according to the invention, as defined previously.
La chaudière peut être utilisée par exemple pour le chauffage d’unités industrielles ou de chauffage ou encore pour la régénération de comburants ou carburants de piles à combustibles. The boiler can be used, for example, for heating industrial or heating units or for regenerating oxidizers or fuels from fuel cells.
Brève description des dessins L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel Brief description of the drawings The invention can be better understood on reading the detailed description which follows, of non-limiting examples of implementation thereof, and on examining the appended drawing, in which
[Fig 1] la figure 1 représente, de manière schématique, un dispositif formant un moteur thermique selon l’invention, [Fig 1] Figure 1 schematically shows a device forming a heat engine according to the invention,
[Fig 2] la figure 2 représente, de manière schématique, un dispositif formant une chaudière selon l’invention, [Fig 2] Figure 2 schematically shows a device forming a boiler according to the invention,
[Fig 3] la figure 3 rappelle la réaction chimique de production du biodiesel,[Fig 3] Figure 3 recalls the chemical reaction for the production of biodiesel,
[Fig 4] la figure 4 représente, de manière schématique et partielle, un dispositif similaire à celui de la figure 1, et [Fig 4] Figure 4 shows, schematically and partially, a device similar to that of Figure 1, and
[Fig 5] la figure 5 représente, de manière schématique, un exemple de système de motorisation hybride selon l’invention. [Fig 5] Figure 5 schematically shows an example of a hybrid motorization system according to the invention.
Description détaillée detailed description
Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonctions identiques portent le même signe de référence. A des fins de concision de la présente description, ils ne sont pas décrits en regard de chacune des figures, seules les différences entre les modes de réalisation étant décrites. In the remainder of the description, identical elements or identical functions bear the same reference sign. For the purpose of conciseness of the present description, they are not described with regard to each of the figures, only the differences between the embodiments being described.
Sur les figures, les proportions réelles n’ont pas toujours été respectées, dans un souci de clarté. In the figures, the actual proportions have not always been respected, for the sake of clarity.
On a illustré sur les figures 1 et 2 deux dispositifs 1 à combustion selon l’invention. L’exemple de la figure 1 correspond à un moteur 60 à quatre temps et l’exemple de la figure 2 à une chaudière 70 à fioul. There is illustrated in Figures 1 and 2 two combustion devices 1 according to the invention. The example in Figure 1 corresponds to a 60 four-stroke engine and the example in Figure 2 to a 70 oil-fired boiler.
Chaque dispositif 1 comporte un concentrateur d’oxygène 2 à zéolithes, produisant un comburant 6 non-azoté à partir d’un mélange gazeux atmosphérique. Le comburant 6 produit comporte par exemple au moins 99% de dioxygène. Each device 1 comprises a zeolite oxygen concentrator 2, producing a nitrogen-free oxidant 6 from an atmospheric gas mixture. The oxidant 6 produced comprises for example at least 99% oxygen.
Dans l’exemple de la figure 1, le concentrateur d’oxygène 2 est alimenté en mélange gazeux atmosphérique filtré par un Purificateur d’ Air par Photocatalyse UV. In the example of Figure 1, the oxygen concentrator 2 is supplied with an atmospheric gas mixture filtered by an Air Purifier by UV Photocatalysis.
Par exemple, comme illustré sur la figure 1, le concentrateur d’oxygène 2 est alimenté en mélange gazeux atmosphérique compressé à l’aide d’un compresseur 363. Par exemple, comme illustré sur la figure 1, le comburant 6 produit par le concentrateur d’oxygène 2 est compressé à l’aide d’un compresseur 364, par exemple un turbo-compresseur, en sortie du concentrateur d’oxygène 2. For example, as illustrated in Figure 1, the oxygen concentrator 2 is supplied with compressed atmospheric gas mixture using a compressor 363. For example, as illustrated in Figure 1, the oxidant 6 produced by the oxygen concentrator 2 is compressed using a compressor 364, for example a turbo-compressor, at the outlet of the oxygen concentrator 2.
Le concentrateur d’oxygène 2 comporte, par exemple, un système de régénération des zéolithes. The oxygen concentrator 2 comprises, for example, a zeolite regeneration system.
Chaque dispositif 1 comporte une source de carburant 4 dans un réservoir 3. Dans l’exemple de la figure 1, le réservoir 3 est rempli avec un biodiesel et dans l’exemple de la figure 2 avec du bio-fioul. Les dispositifs 1 peuvent aussi fonctionner si nécessaire avec des carburants d’origine fossile, ou avec des mélanges de carburants d’origine fossile et d’origine végétale, ou avec des carburants synthétiques, par exemple de l’hydrogène. Each device 1 comprises a fuel source 4 in a tank 3. In the example of figure 1, the tank 3 is filled with a biodiesel and in the example of figure 2 with bio-fuel oil. The devices 1 can also operate if necessary with fuels of fossil origin, or with mixtures of fuels of fossil origin and of vegetable origin, or with synthetic fuels, for example hydrogen.
Comme illustré sur la figure 3, le biodiesel est obtenu, de manière connue en soi, par une réaction chimique entre du triglycéride 100, provenant des graines de colza ou de tournesol par exemple, avec du méthanol 101. Cette réaction produit du glycérol 102 (alcool) et des esters méthyliques 103 (biodiesel). As illustrated in Figure 3, biodiesel is obtained, in a manner known per se, by a chemical reaction between triglyceride 100, originating from rapeseed or sunflower seeds for example, with methanol 101. This reaction produces glycerol 102 ( alcohol) and methyl esters 103 (biodiesel).
Chaque dispositif 1 comporte également une chambre de combustion 5 d’un mélange de carburant 4 et d’un mélange de comburant 390 formé d’un mélange de comburant 6 produit par le concentrateur d’oxygène 2 et/ou de gaz contenus dans le réservoir 90 et/ou, dans certains cas, d’air extérieur. Each device 1 also comprises a combustion chamber 5 for a mixture of fuel 4 and a mixture of oxidant 390 formed from a mixture of oxidant 6 produced by the oxygen concentrator 2 and/or of gases contained in the tank 90 and/or, in some cases, outside air.
Dans l’exemple de la figure 1, la chambre de combustion 5 comporte un cylindre creux 15 dans lequel un piston 21 coulisse pour transmettre une partie de l’énergie de combustion vers un arbre de transmission de puissance 22, à l’aide de bielles 23. In the example of Figure 1, the combustion chamber 5 comprises a hollow cylinder 15 in which a piston 21 slides to transmit part of the combustion energy to a power transmission shaft 22, using connecting rods 23.
Dans l’exemple de la figure 2, la chambre de combustion 5 comporte un échangeur thermique 30, par exemple avec une circuiterie d’eau de chauffage. In the example of Figure 2, the combustion chamber 5 includes a heat exchanger 30, for example with a heating water circuit.
Chaque dispositif 1 comporte un réservoir 90 de comburant sous pression, dont le volume utile est compris entre 1 1 et 20 1. Ledit réservoir 90 est, avant le démarrage du dispositif 1, rempli de dioxygène, d’air enrichi en dioxygène, et/ou de gaz d’échappement enrichi en dioxygène, Le réservoir 90 comporte, par exemple, au plus 10% en masse d’azote et de composés azotés et au moins 20% de dioxygène. Each device 1 comprises a reservoir 90 of pressurized oxidizer, the useful volume of which is between 1 1 and 20 1. Said reservoir 90 is, before the start-up of the device 1, filled with dioxygen, air enriched with dioxygen, and/ or exhaust gas enriched in dioxygen. The tank 90 comprises, for example, at most 10% by mass of nitrogen and nitrogen compounds and at least 20% of dioxygen.
Le réservoir 90 est, par exemple, partiellement alimenté et rempli en gaz d’échappement. Le dispositif 1 comporte une vanne 300 de régulation permettant de contrôler le débit d’alimentation en gaz d’échappement dans le réservoir 90, la vanne 300 étant contrôlée de manière à ce que la proportion en masse d’azote et de composés azotés dans ledit réservoir 90 reste inférieure à 10%, et la concentration en dioxygène supérieure à un autre seuil prédéfini, par exemple supérieure à 20%. The tank 90 is, for example, partially fed and filled with exhaust gas. The device 1 comprises a regulating valve 300 making it possible to control the exhaust gas supply flow rate in the tank 90, the valve 300 being controlled so that the proportion by mass of nitrogen and of nitrogenous compounds in said reservoir 90 remains below 10%, and the oxygen concentration above another predefined threshold, for example above 20%.
Le dispositif 1 comporte un compresseur 302 de gaz d’échappement entre la chambre de combustion 5 et le réservoir 90. Device 1 comprises an exhaust gas compressor 302 between combustion chamber 5 and reservoir 90.
Ce compresseur 302 est, dans le dispositif la de la figure 1, un turbocompresseur positionné en aval de la vanne 300. This compressor 302 is, in the device la of FIG. 1, a turbocharger positioned downstream of the valve 300.
Dans le dispositif 1b de la figure 2, le compresseur est positionné en amont de la vanne 300. In the device 1b of figure 2, the compressor is positioned upstream of the valve 300.
Pa exemple, le réservoir 90 comporte à sa sortie une boucle de réalimentation 360 permettant aux gaz qui sortent du réservoir 90 d’être réintroduit dans le réservoir 90. Cette boucle de réalimentation 360 peut comporter une vanne 361 qui permet de réguler de 0% à 100% son ouverture. Une telle boucle de réalimentation 360 permet d’homogénéiser les gaz extraits du réservoir 90 qui sont envoyés vers la chambre de combustion 5. For example, the reservoir 90 includes at its outlet a replenishment loop 360 allowing the gases leaving the reservoir 90 to be reintroduced into the reservoir 90. This replenishment loop 360 may include a valve 361 which makes it possible to regulate from 0% to 100% its opening. Such a replenishment loop 360 makes it possible to homogenize the gases extracted from the tank 90 which are sent to the combustion chamber 5.
Le réservoir 90 est, par exemple, également partiellement alimenté et rempli par ledit au moins un concentrateur d’oxygène 2. Reservoir 90 is, for example, also partially supplied and filled by said at least one oxygen concentrator 2.
Le réservoir 90 peut fournir momentanément à ladite chambre de combustion 5 une quantité de comburant en excès de la capacité de production du concentreur d’oxygène 2 par la conduite 308. Reservoir 90 can temporarily supply said combustion chamber 5 with a quantity of oxidant in excess of the production capacity of oxygen concentrator 2 via line 308.
Dans l’exemple de la figure 1, le dispositif la comporte une vanne 301 qui permet, dans certaines configurations, de remplir le réservoir 90 avec du comburant 6 produit par le concentrateur d’oxygène 2. In the example of FIG. 1, the device la comprises a valve 301 which, in certain configurations, makes it possible to fill the tank 90 with oxidizer 6 produced by the oxygen concentrator 2.
Dans l’exemple de la figure 2, le réservoir 90 comporte une vanne d’admission 91 reliée directement au concentrateur d’oxygène 2 et permettant de remplir le réservoir 90. In the example of Figure 2, the reservoir 90 includes an inlet valve 91 directly connected to the oxygen concentrator 2 and allowing the reservoir 90 to be filled.
Le réservoir 90 est, par exemple, à une pression de 2 bar. Le réservoir 90 comporte par exemple un système permettant de le maintenir sous pression, par exemple en réduisant dynamiquement le volume du réservoir 90, par exemple à l’aide d’un piston coulissant dans un cylindre ou avec une vessie gonflable. Reservoir 90 is, for example, at a pressure of 2 bar. The tank 90 comprises for example a system making it possible to maintain it under pressure, for example by dynamically reducing the volume of the tank 90, for example using a sliding piston in a cylinder or with an inflatable bladder.
Le réservoir 90 est maintenu à une pression de 2 bar quand le dispositif 1 est à l’arrêt. Reservoir 90 is maintained at a pressure of 2 bar when device 1 is stopped.
Par exemple, comme illustré sur la figure 1, le réservoir 90 comporte plusieurs enceintes 370, par exemple trois, maintenues à des pressions différentes notamment pour lui permettre d’accumuler des quantités importantes de comburant dans les enceintes 370 les plus sous pression, tandis que le gaz d’échappement utilisé directement comme comburant n’a pas besoin d’être autant compressé. L’enceinte 370 la plus sous pression est celle à l’entrée du réservoir 90, la moins sous pression est celle à la sortie et l’enceinte intermédiaire est à une pression intermédiaire. For example, as illustrated in FIG. 1, the tank 90 comprises several enclosures 370, for example three, maintained at different pressures in particular to allow it to accumulate large quantities of oxidizer in the enclosures 370 more under pressure, while the exhaust gas used directly as oxidizer does not need to be compressed as much. The most pressurized enclosure 370 is the one at the inlet of the tank 90, the least pressurized is the one at the outlet and the intermediate enclosure is at an intermediate pressure.
Le réservoir 90 peut comporter des détendeurs 371 entre les enceintes 370.Reservoir 90 may include regulators 371 between enclosures 370.
Par exemple, comme illustré sur la figure 4, une conduite 500 peut partir du compresseur 364 vers chacune des enceintes 370 du réservoir 90. Cette conduite 500 comporte une série de vannes 501, par exemple trois, chacune permettant de réguler l’apport d’oxygène dans une enceinte respective 370. Dans ce cas, un contrôle fin de la quantité d’oxygène apporté au réservoir 90 peut être réalisé. For example, as illustrated in FIG. 4, a pipe 500 can go from the compressor 364 to each of the enclosures 370 of the tank 90. This pipe 500 comprises a series of valves 501, for example three, each allowing the supply of oxygen in a respective enclosure 370. In this case, a fine control of the quantity of oxygen supplied to the tank 90 can be achieved.
Chaque dispositif 1 comporte également un système d’admission 10 permettant d’introduire dans des proportions prédéterminées un mélange de carburant 4 et de mélange de comburants 390 dans la chambre de combustion 5. Each device 1 also comprises an intake system 10 making it possible to introduce in predetermined proportions a mixture of fuel 4 and mixture of oxidizers 390 into the combustion chamber 5.
Le système d’admission 10 comporte typiquement un injecteur 11 de carburant 4, un papillon d’admission 12 et un papillon d’échappement 13. The intake system 10 typically comprises a fuel injector 11 4, an intake butterfly valve 12 and an exhaust butterfly valve 13.
Le système d’admission 10 permet de réaliser différentes étapes du cycle de chaque dispositif 1, à savoir l’injection du carburant 4 et du mélange de comburants 390 dans la chambre de combustion 5 et, après la combustion, l’échappement des gaz d’échappement. The intake system 10 makes it possible to carry out different stages of the cycle of each device 1, namely the injection of the fuel 4 and of the mixture of oxidizers 390 into the combustion chamber 5 and, after combustion, the exhaust of the combustion gases. 'exhaust.
Le système d’admission 10 permet, par exemple, de stopper ou limiter l’introduction dans la chambre de combustion 5 de gaz contenus dans le réservoir 90 si la proportion en masse d’azote et de composants azotés dans le mélange de comburants 390 et/ou le réservoir 90 est supérieure à un seuil prédéfini, par exemple est supérieure à 10%. The admission system 10 makes it possible, for example, to stop or limit the introduction into the combustion chamber 5 of gases contained in the tank 90 if the mass proportion of nitrogen and nitrogenous components in the mixture of oxidizers 390 and /or the tank 90 is greater than a predefined threshold, for example is greater than 10%.
Le système d’admission 10 permet, par exemple, de stopper ou limiter l’introduction dans la chambre de combustion 5 de gaz contenus dans le réservoir 90 si la proportion en masse de dioxygène dans ledit réservoir 90 ou dans le mélange de comburants 390 est inférieure à un seuil prédéfini, par exemple inférieure à 20%. The admission system 10 makes it possible, for example, to stop or limit the introduction into the combustion chamber 5 of gases contained in the tank 90 if the proportion by mass of oxygen in said tank 90 or in the mixture of oxidants 390 is below a predefined threshold, for example below 20%.
Dans chaque exemple, le système d’admission 10 comporte un carter 40 pour filtre à air comportant deux ouvertures respectivement d’entrée 41 et de sortie 42 de flux d’air. L’ouverture 41 est de préférence fermée mais peut être ouverte notamment en cas de défaillance du dispositif fournissant le mélange de comburants 390. Chaque dispositif 1 comporte une liaison d’admission 45 insérée dans le carter 40 pour filtre à air. La liaison d’admission 45 permet un flux du mélange de comburants 390 de comburant 6 dudit au moins un concentrateur d’oxygène 2 et/ou de gaz contenus dans le réservoir 90 vers la chambre de combustion 5 au travers de l’ouverture 42 du carter formant une sortie. Le concentrateur d’oxygène 2 comporte un système de filtration du mélange gazeux atmosphérique. In each example, the intake system 10 comprises a casing 40 for an air filter comprising two openings respectively for the inlet 41 and the outlet 42 of the air flow. The opening 41 is preferably closed but can be opened in particular in the event of failure of the device supplying the mixture of oxidizers 390. Each device 1 comprises an inlet connection 45 inserted in the casing 40 for the air filter. The link admission 45 allows a flow of the mixture of oxidizers 390 of oxidizer 6 of said at least one oxygen concentrator 2 and/or of gas contained in the tank 90 towards the combustion chamber 5 through the opening 42 of the casing forming an exit. The oxygen concentrator 2 includes a system for filtering the atmospheric gas mixture.
Le dispositif 1 comporte également une liaison d’échappement 305 reliée à la sortie de la chambre de combustion 5. La liaison d’échappement 305, comme illustrée sur les figures 1 et 2, permet de diviser le flux de gaz d’échappement, issu de la combustion dans la chambre de combustion 5, pour alimenter, au moins de manière ponctuelle, le réservoir 90 en gaz d’échappement. The device 1 also comprises an exhaust connection 305 connected to the outlet of the combustion chamber 5. The exhaust connection 305, as illustrated in FIGS. 1 and 2, makes it possible to divide the flow of exhaust gases, coming combustion in the combustion chamber 5, to supply, at least occasionally, the tank 90 with exhaust gas.
Par exemple, le flux de gaz d’échappement est divisé en deux dans une conduite principale 306, dans laquelle les gaz d’échappement vont être évacués vers l’extérieur, et dans une conduite auxiliaire 307, pour alimenter le réservoir 90, lorsque nécessaire. For example, the flow of exhaust gases is divided into two in a main pipe 306, in which the exhaust gases will be evacuated to the outside, and in an auxiliary pipe 307, to feed the tank 90, when necessary. .
Par exemple, comme illustré sur la figure 1, le réservoir 90 peut comporter une entrée d’air 366 compressé avec un compresseur 367. Le réservoir 90 peut ainsi être alimenté et rempli, au moins en partie, en air, notamment en cas de demande accrue en comburant, par exemple quand ledit réservoir 90 est vide et que les besoins en comburant sont supérieurs à la capacité de production du concentrateur d’oxygène 2. For example, as illustrated in Figure 1, the tank 90 may include an air inlet 366 compressed with a compressor 367. The tank 90 can thus be supplied and filled, at least in part, with air, in particular in the event of demand. increased in oxidant, for example when said tank 90 is empty and the oxidant requirements are greater than the production capacity of the oxygen concentrator 2.
Par exemple, le compresseur 367 est réversible ce qui peut permettre de vider le réservoir 90, notamment suite à la détection d’un taux de présence d’azote et de composés azotés supérieur à un seuil préfixé, par exemple supérieur à 10% en volume, notamment supérieur à 5% en volume, de préférence supérieur à 1% en volume. For example, the compressor 367 is reversible which can make it possible to empty the tank 90, in particular following the detection of a rate of presence of nitrogen and nitrogenous compounds greater than a prefixed threshold, for example greater than 10% by volume , in particular greater than 5% by volume, preferably greater than 1% by volume.
Dans l’exemple de la figure 1, la vanne 301 permet au réservoir 90 d’être alimenté par le concentrateur d’oxygène 2 ou d’alimenter le système d’admission 10 d’un mélange de comburant 6 produit par le concentrateur d’oxygène 2 et de gaz contenus dans le réservoir 90. La vanne 301 peut permettre au concentrateur d’oxygène 2 d’alimenter parallèlement le système d’admission 10 et le réservoir 90. In the example of FIG. 1, the valve 301 allows the reservoir 90 to be supplied by the oxygen concentrator 2 or to supply the intake system 10 with a mixture of oxidant 6 produced by the oxygen concentrator. oxygen 2 and gas contained in tank 90. Valve 301 can allow oxygen concentrator 2 to supply intake system 10 and tank 90 in parallel.
Dans l’exemple de la figure 2, le réservoir 90 comporte une vanne d’alimentation 92 permettant de fournir des gaz contenus dans le réservoir 90 au système d’admission 10. In the example of Figure 2, the tank 90 includes a supply valve 92 for supplying gases contained in the tank 90 to the intake system 10.
Par exemple, comme illustré sur la figure 2, le système d’admission 10 peut comporter une entrée d’air 365 supplémentaire, indépendante du concentrateur d’oxygène 2 et du réservoir 90. Dans l’exemple de la figure 2, le comburant qui entre dans la chambre de combustion 5 peut provenir uniquement du réservoir 90 ou uniquement du concentrateur d’oxygène 2 ou uniquement de l’entrée d’air 365. Ainsi, en cas de panne du réservoir 90 et/ou du concentrateur d’oxygène 2 ou lorsque le réservoir 90 est peu rempli, il est toujours possible d’utiliser le dispositif 1, en mode dégradé, en alimentant la chambre de combustion 5 directement en air. For example, as shown in Figure 2, intake system 10 may include an additional air inlet 365, independent of oxygen concentrator 2 and reservoir 90. In the example of FIG. 2, the oxidant which enters the combustion chamber 5 can come only from the reservoir 90 or only from the oxygen concentrator 2 or only from the air inlet 365. Thus, in the event of a breakdown of the tank 90 and/or of the oxygen concentrator 2 or when the tank 90 is not very full, it is always possible to use the device 1, in degraded mode, by supplying the combustion chamber 5 directly with air.
Le réservoir 90 comporte, par exemple, au moins 80% de gaz d’échappement en régime nominal. The tank 90 comprises, for example, at least 80% of exhaust gases at nominal speed.
Le système d’admission introduit, par exemple, au moins 20% en masse, de gaz contenus dans le réservoir 90 dans la chambre de combustion 5, ces gaz formant un gaz dit porteur. The intake system introduces, for example, at least 20% by mass of the gas contained in the reservoir 90 into the combustion chamber 5, these gases forming a so-called carrier gas.
Le gaz porteur est, par exemple, composé d’au moins 80% en masse de dioxygène et de dioxyde de carbone et comporte moins de 1% en masse d’argon. The carrier gas is, for example, composed of at least 80% by mass of oxygen and carbon dioxide and comprises less than 1% by mass of argon.
Par exemple, le gaz porteur comporte, en régime nominal, au moins 70% en masse de dioxyde de carbone. For example, the carrier gas comprises, in nominal conditions, at least 70% by mass of carbon dioxide.
Le dispositif 1 de la figure 1 comporte une sonde 80, disposée de préférence à une entrée 81 du mélange de comburants 390 dans le système d’admission 10. La sonde 80 permet de mesurer la concentration en oxygène du mélange ainsi que sa pression et son débit volumique. The device 1 of FIG. 1 comprises a probe 80, preferably placed at an inlet 81 of the mixture of oxidizers 390 in the admission system 10. The probe 80 makes it possible to measure the oxygen concentration of the mixture as well as its pressure and its volume flow rate.
Dans cet exemple, la sonde 80 communique avec une unité de contrôle 82 permettant, en fonction des données mesurées par la sonde 80, d’ajuster dynamiquement la vitesse de rotation d’un compresseur 85 de comburant disposé après le concentrateur d’oxygène 2 et le réservoir 90, pour optimiser la combustion dans ladite au moins une chambre de combustion 5. In this example, the probe 80 communicates with a control unit 82 making it possible, depending on the data measured by the probe 80, to dynamically adjust the speed of rotation of an oxidizer compressor 85 arranged after the oxygen concentrator 2 and tank 90, to optimize combustion in said at least one combustion chamber 5.
Le dispositif 1 peut également comporter un ou plusieurs capteurs, parmi lesquels : un capteur permettant de détecter en sortie de la chambre de combustion 5 la proportion de diazote ou de composés azotés, notamment de NOx, contenus dans le gaz d’échappement, un capteur permettant de détecter la proportion de diazote ou de composés azotés, notamment de NOx, contenus dans le mélange de comburants 390 en entrée du système d’admission 10, un capteur permettant de détecter la proportion de diazote ou de composés azotés, notamment de NOx, contenus dans le réservoir 90, un capteur permettant de détecter en sortie de la chambre de combustion 5 la proportion de dioxygène contenu dans le gaz d’échappement, un capteur permettant de détecter la proportion de dioxygène contenu dans le réservoir 90, un capteur permettant de détecter en sortie du concentrateur d’oxygène 2 la proportion de diazote ou de composés azotés, notamment de NOx, contenus dans le comburant 6, un capteur permettant de détecter en sortie du concentrateur d’oxygène 2 la proportion de dioxygène contenu dans le comburant 6. The device 1 can also comprise one or more sensors, among which: a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber 5 the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular of NOx, contained in the exhaust gas, a sensor making it possible to detect the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the mixture of oxidizers 390 at the inlet of the admission system 10, a sensor making it possible to detect the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the reservoir 90, a sensor making it possible to detect at the outlet of the combustion chamber 5 the proportion of dioxygen contained in the exhaust gas, a sensor making it possible to detect the proportion of dioxygen contained in the tank 90, a sensor making it possible to detect at the outlet of the oxygen concentrator 2 the proportion of dinitrogen or nitrogenous compounds, in particular NOx, contained in the oxidizer 6, a sensor making it possible to detect at the outlet of the oxygen concentrator 2 the proportion of dioxygen contained in the oxidizer 6.
Le dispositif 1 peut être régulé par l’unité de contrôle 82 à l’aide d’informations provenant du ou des capteurs précités et de la sonde 80. Device 1 can be regulated by control unit 82 using information from the aforementioned sensor(s) and probe 80.
Le dispositif 1b de la figure 2 comporte un système d’ozonisation 310 du comburant 6 et/ou de gaz contenus dans le réservoir 90 en amont du papillon d’admission 12 et en aval de la vanne d’alimentation 92. Device 1b in FIG. 2 comprises an ozonation system 310 for oxidizer 6 and/or gas contained in reservoir 90 upstream of intake butterfly valve 12 and downstream of supply valve 92.
Chaque dispositif 1 des figures 1 et 2 comporte un système de recirculation des gaz d’échappement 20, dit système EGR. Ce système 20 permet d’injecter dans la chambre de combustion 5 des gaz issus d’une précédente combustion, par exemple pour optimiser la combustion dans la chambre de combustion 5. Each device 1 of Figures 1 and 2 comprises an exhaust gas recirculation system 20, called EGR system. This system 20 makes it possible to inject gases from a previous combustion into the combustion chamber 5, for example to optimize combustion in the combustion chamber 5.
Le dispositif 1b de la figure 2 comporte un système de démarrage 350 configuré pour démarrer le dispositif 1. Le système de démarrage 350 alimente, avant ou pendant démarrage, le réservoir 90 en air enrichi en dioxygène, ou en dioxygène à l’aide du concentrateur d’oxygène 2 avant toute combustion dans la chambre de combustion 5. The device 1b of FIG. 2 comprises a start-up system 350 configured to start the device 1. The start-up system 350 supplies, before or during start-up, the reservoir 90 with air enriched with oxygen, or with oxygen using the concentrator of oxygen 2 before any combustion in the combustion chamber 5.
Dans l’exemple de la figure 1, le dispositif la est obtenu en modifiant un dispositif à combustion fonctionnant avec un mélange de carburant et d’air, comprimé ou non, dans cet exemple un moteur diesel d’une voiture de série. Dans cet exemple, le filtre à air du moteur diesel d’une voiture de série a été remplacé par la liaison d’admission 45. In the example of figure 1, the device la is obtained by modifying a combustion device operating with a mixture of fuel and air, compressed or not, in this example a diesel engine of a production car. In this example, the diesel engine air filter from a production car has been replaced with intake link 45.
De plus, la sortie de la chambre de combustion est modifiée pour ajouter la liaison d’échappement 305. Additionally, the combustion chamber outlet is modified to add the 305 exhaust link.
Par exemple, le fonctionnement de certains systèmes du dispositif 1 à combustion, notamment le système d’admission 10, peut être adapté, par exemple pour gérer l’alimentation du réservoir 90, pour introduire des gaz contenus dans le réservoir 90 dans la chambre de combustion 5, en modifiant la quantité de carburant 4 injectée, la quantité de mélange de comburants 390 injectée, le ratio entre carburant 4 et le mélange de comburants 390, et/ou, le cas échant, l’ouverture du système de recirculation des gaz d’échappement. For example, the operation of certain systems of the combustion device 1, in particular the intake system 10, can be adapted, for example to manage supplying tank 90, to introduce gases contained in tank 90 into combustion chamber 5, by modifying the quantity of fuel 4 injected, the quantity of oxidant mixture 390 injected, the ratio between fuel 4 and the mixture of oxidizers 390, and/or, if necessary, the opening of the exhaust gas recirculation system.
Par exemple, la modification est obtenue en utilisant un kit 50 selon l’invention comportant le concentrateur d’oxygène 2, le réservoir 90, la liaison d’admission 45 et la liaison d’échappement 305. For example, the modification is obtained by using a kit 50 according to the invention comprising the oxygen concentrator 2, the reservoir 90, the intake link 45 and the exhaust link 305.
Par exemple, comme sur le dispositif la de la figure 1, laprise d’air 510 d’origine est conservée. For example, as in device la in Figure 1, the original air intake 510 is retained.
Dans l’exemple de la figure 1, le moteur 60 produit une puissance moyenne de 73 kW, soit environ 100 chevaux vapeur. En supposant que la formule chimique du biodiesel est C12H24 et que sa puissance calorifique inférieure, ou PCI, est de 37,8 MJ/kg, sa puissance calorifique molaire est de 6,38 MJ/mol. Ainsi, le moteur 60 consomme dans cet exemple 11,4 mmol/s environ de carburant 4. En supposant que la réaction de combustion s’écrit C12H24 + 6O2 = 12C + I2H2O, le moteur 60 consomme 68,6 mmol/s environ de dioxygène, soit 1,521/s environ à pression atmosphérique. In the example of Figure 1, motor 60 produces an average power of 73 kW, or about 100 horsepower. Assuming the chemical formula of biodiesel is C12H24 and its lower calorific value, or LCV, is 37.8 MJ/kg, its molar calorific value is 6.38 MJ/mol. Thus, the engine 60 in this example consumes approximately 11.4 mmol/s of fuel 4. Assuming that the combustion reaction is written C12H24 + 6O2 = 12C + I2H2O, the engine 60 consumes approximately 68.6 mmol/s of dioxygen, i.e. approximately 1.521/s at atmospheric pressure.
Sachant qu’avec 0,55 1 de zéolithes il est possible de produire environ 0,033 1/s de dioxygène à pression atmosphérique, il suffit que le concentrateur comporte au moins 25 1 environ de zéolithes, soit 0,34 L de zéolithes pour 1 kW de puissance moteur. Knowing that with 0.55 1 of zeolites it is possible to produce approximately 0.033 1/s of oxygen at atmospheric pressure, it is sufficient for the concentrator to contain at least approximately 25 1 of zeolites, i.e. 0.34 L of zeolites for 1 kW of engine power.
Dans le même exemple, si l’on souhaite que le moteur 60 de la figure 1 soit suralimenté en oxygène de 15%, c’est-à-dire que la combustion se fasse avec un ratio entre la quantité de comburant 6 et la quantité de carburant 4 supérieur de 15% au ratio entre la quantité de comburant 6 et la quantité de carburant 4 pour une combustion stoechiométrique, le concentrateur d’oxygène 2 comporte de préférence 30L de zéolithes. In the same example, if it is desired that the engine 60 of FIG. 1 be supercharged with oxygen by 15%, that is to say that combustion takes place with a ratio between the quantity of oxidizer 6 and the quantity of fuel 4 15% greater than the ratio between the quantity of oxidant 6 and the quantity of fuel 4 for stoichiometric combustion, the oxygen concentrator 2 preferably comprises 30L of zeolites.
Il est possible d’utiliser plusieurs concentrateurs d’oxygène 2 en parallèle afin de répartir le volume de zéolithes. L’utilisation de concentrateurs en série permet d’obtenir une plus grande pureté en oxygène. It is possible to use several oxygen concentrators 2 in parallel in order to distribute the volume of zeolites. The use of concentrators in series makes it possible to obtain greater oxygen purity.
Il est aussi possible d’utiliser le dispositif 1 selon l’invention dans un système de motorisation hybride 200 comme par exemple représenté figure 5, le dispositif 1 étant, par exemple, un moteur 60 à hydrogène. It is also possible to use the device 1 according to the invention in a hybrid motorization system 200 as for example represented in FIG. 5, the device 1 being, for example, a hydrogen engine 60 .
Dans cet exemple, le moteur 60 transmet sa puissance à un générateur électriqueIn this example, the engine 60 transmits its power to an electric generator
201 connecté à une batterie 202. La batterie permet d’alimenter un moteur électrique 203 qui transmet une puissance mécanique à une roue 205 à l’aide d’un arbre 204. 201 connected to a battery 202. The battery powers an electric motor 203 which transmits mechanical power to a wheel 205 using a shaft 204.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. The invention is not limited to the examples which have just been described.
En particulier, le fonctionnement du moteur peut être différent, par exemple à deux temps. La puissance mécanique peut être transmise directement de l‘arbre de transmission relié à un dispositif électromécanique générateur ou un moteur pour produire de l’électricité et remplir une batterie ou au contraire utiliser l’électricité de la batterie pour propulser ou aider à propulser un véhicule. In particular, the operation of the engine may be different, for example two-stroke. Mechanical power can be transmitted directly from the connected drive shaft to a generating electromechanical device or motor to generate electricity and fill a battery or alternatively use battery electricity to propel or help propel a vehicle .
Le nombre de chambres de combustion peut être différent, par exemple être compris entre 2 et 10. The number of combustion chambers can be different, for example be between 2 and 10.
Le dispositif peut fonctionner avec un autre carburant, par exemple un gaz non- azoté, de l’essence, de l’éthanol ou du fioul. The device can operate with another fuel, for example a non-nitrogen gas, gasoline, ethanol or fuel oil.
Le système de motorisation hybride peut être différent, par exemple comporter d’autres moteurs électriques ou fonctionner en série. Le dispositif peut comporter une pluralité de réservoirs 90, par exemple entre 2 et 5 réservoirs 90. The hybrid motorization system can be different, for example include other electric motors or operate in series. The device may comprise a plurality of reservoirs 90, for example between 2 and 5 reservoirs 90.

Claims

Revendications Claims
1. Dispositif (1) à combustion comportant : au moins un concentrateur d’oxygène (2) produisant un comburant (6) sensiblement non-azoté à partir d’un mélange gazeux atmosphérique, une source de carburant (4), au moins une chambre de combustion (5), un réservoir (90) de comburant, de préférence sous pression, ledit réservoir (90) de comburant étant, avant le démarrage du dispositif (1), rempli de dioxygène, d’air enrichi en dioxygène, et/ou de gaz d’échappement enrichi en dioxygène, le réservoir (90) de comburant comportant au plus 20%, mieux au plus 10% en masse d’azote et de composés azotés, un système d’admission (10) permettant d’introduire, dans des proportions prédéterminées, un mélange de carburant (4), de comburant (6) produit par le concentrateur d’oxygène (2) et de gaz contenus dans le réservoir (90) de comburant dans ladite au moins une chambre de combustion (5). 1. Combustion device (1) comprising: at least one oxygen concentrator (2) producing a substantially nitrogen-free oxidizer (6) from an atmospheric gaseous mixture, a fuel source (4), at least one combustion chamber (5), a tank (90) of oxidant, preferably under pressure, said tank (90) of oxidant being, before starting the device (1), filled with dioxygen, air enriched in dioxygen, and /or exhaust gas enriched in dioxygen, the tank (90) of oxidizer comprising at most 20%, better still at most 10% by mass of nitrogen and nitrogen compounds, an admission system (10) making it possible to introducing, in predetermined proportions, a mixture of fuel (4), oxidizer (6) produced by the oxygen concentrator (2) and gases contained in the oxidizer tank (90) into said at least one combustion chamber (5).
2. Dispositif (1) selon la revendication précédente, le réservoir (90) de comburant pouvant être alimenté et rempli, au moins en partie, en gaz d’échappement, le dispositif (1) comportant une vanne (300) de régulation permettant de contrôler le débit d’alimentation en gaz d’échappement dans le réservoir (90) de comburant, la vanne (300) de régulation étant contrôlée de manière à ce que la proportion en masse d’azote et de composés azotés dans ledit réservoir (90) de comburant reste inférieure à 20%, mieux inférieure à 10%, et la concentration en dioxygène supérieure à un autre seuil prédéfini, notamment au moins 10% en masse, mieux au moins 20%. 2. Device (1) according to the preceding claim, the tank (90) of oxidizer being able to be supplied and filled, at least in part, with exhaust gas, the device (1) comprising a valve (300) for regulating controlling the exhaust gas feed rate in the oxidizer tank (90), the regulating valve (300) being controlled so that the mass proportion of nitrogen and nitrogenous compounds in said tank (90 ) of oxidant remains less than 20%, better still less than 10%, and the oxygen concentration above another predefined threshold, in particular at least 10% by mass, better still at least 20%.
3. Dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, le système d’admission (10) permettant de stopper ou limiter l’introduction dans la chambre de combustion (5) de gaz contenus dans le réservoir (90) de comburant si la proportion en masse d’azote et de composants azotés dans ledit réservoir de comburant est supérieure à un seuil prédéfini, notamment supérieure à 20%, mieux supérieure à 10%. 3. Device (1) according to one of the preceding claims, the intake system (10) making it possible to stop or limit the introduction into the combustion chamber (5) of gases contained in the tank (90) of oxidizer if the mass proportion of nitrogen and nitrogenous components in said oxidizer tank is greater than a predefined threshold, in particular greater than 20%, better still greater than 10%.
4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système d’admission (10) permettant de stopper ou limiter l’introduction dans la chambre de combustion (5) de gaz contenus dans le réservoir (90) de comburant si la proportion en masse de dioxygène dans ledit réservoir (90) de comburant est inférieure à un seuil prédéfini, notamment inférieure à 10%, mieux inférieure à 20%. 4. Device (1) according to any one of the preceding claims, the intake system (10) making it possible to stop or limit the introduction into the combustion chamber (5) of gases contained in the tank (90) of oxidizer if the proportion in mass of oxygen in said oxidizer tank (90) is less than a predefined threshold, in particular less than 10%, better still less than 20%.
5. Dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le réservoir (90) de comburant est sous pression quand le dispositif (1) est à l’arrêt. 5. Device (1) according to one of the preceding claims, wherein the reservoir (90) of oxidizer is pressurized when the device (1) is stopped.
6. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un système de démarrage (350) configuré pour démarrer le dispositif (1), le système de démarrage (350) alimentant le réservoir (90) de comburant en air enrichi en dioxygène, ou en dioxygène à l’aide du concentrateur d’oxygène (2) avant toute combustion. 6. Device (1) according to any one of the preceding claims, comprising a starting system (350) configured to start the device (1), the starting system (350) supplying the tank (90) of oxidizer with enriched air in oxygen, or in oxygen using the oxygen concentrator (2) before any combustion.
7. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réservoir (90) de comburant comporte au moins 50%, mieux au moins 70%, encore mieux au moins 80% de gaz d’échappement en régime nominal. 7. Device (1) according to any one of the preceding claims, in which the tank (90) of oxidant comprises at least 50%, better still at least 70%, even better still at least 80% of exhaust gas at nominal speed. .
8. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le concentrateur d’oxygène (2) comportant au moins 0,3 L de zéolithes pour 1 kW de puissance moteur ou calorifique. 8. Device (1) according to any one of the preceding claims, the oxygen concentrator (2) comprising at least 0.3 L of zeolites for 1 kW of motor or calorific power.
9. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un système de recirculation des gaz d’échappement (20), dit « EGR ». 9. Device (1) according to any one of the preceding claims, comprising an exhaust gas recirculation system (20), called “EGR”.
10. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la combustion se fait avec un ratio entre la quantité massique de dioxygène et la quantité de carburant (4) supérieur, notamment de 15%, au ratio entre la quantité de dioxygène et la quantité de carburant (4) pour une combustion stoechiométrique. 10. Device (1) according to any one of the preceding claims, in which the combustion takes place with a ratio between the mass quantity of oxygen and the quantity of fuel (4) greater, in particular by 15%, than the ratio between the quantity of oxygen and the amount of fuel (4) for stoichiometric combustion.
11. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un concentrateur d’oxygène 2 à zéolithes et un système de régénération des zéolithes. 11. Device (1) according to any one of the preceding claims, comprising a zeolite oxygen concentrator 2 and a zeolite regeneration system.
12. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système d’admission (10) comportant un carter (40) pour filtre à air comportant deux ouvertures partielles ou totales respectivement d’entrée (41) et de sortie (42) de flux d’air, le dispositif (1) comportant une liaison d’admission (45) insérée dans le carter (40) pour filtre à air, la liaison d’admission (45) permettant un flux d’un mélange de comburant (6) dudit au moins un concentrateur d’oxygène (2) et/ou de gaz contenus dans le réservoir (90) de comburant vers ladite au moins une chambre de combustion (5) au travers de l’ouverture partielle ou totale du carter (40) formant une sortie (42). 12. Device (1) according to any one of the preceding claims, the intake system (10) comprising a casing (40) for the air filter comprising two partial or total openings respectively inlet (41) and outlet ( 42) of air flow, the device (1) comprising an inlet connection (45) inserted in the casing (40) for the air filter, the inlet connection (45) allowing a flow of a mixture of oxidizer (6) from said at least one oxygen (2) and/or gas concentrator contained in the oxidizer tank (90) towards said at least one combustion chamber (5) through the partial or total opening of the housing (40) forming an outlet (42).
13. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une liaison d’échappement (305) reliée à la sortie de la chambre de combustion (5), la liaison d’échappement (305) permettant de diviser le flux de gaz d’échappement issu de la combustion dans la chambre de combustion (5) pour alimenter, au moins de manière ponctuelle, le réservoir (90) de comburant en gaz d’échappement. 13. Device (1) according to any one of the preceding claims, comprising an exhaust connection (305) connected to the outlet of the combustion chamber (5), the exhaust connection (305) making it possible to divide the flow of exhaust gas resulting from the combustion in the combustion chamber (5) to supply, at least occasionally, the tank (90) of oxidizer with exhaust gas.
14. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le concentrateur d’oxygène (2) étant alimenté en mélange gazeux atmosphérique filtré par un Purificateur d’ Air par Photocatalyse UV. 14. Device (1) according to any one of the preceding claims, the oxygen concentrator (2) being supplied with an atmospheric gas mixture filtered by an Air Purifier by UV Photocatalysis.
15. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une sonde (80), disposée de préférence à une entrée (81) dans le système d’admission (10) de comburant (6) produit par le concentrateur d’oxygène (2) et/ou de gaz contenus dans le réservoir (90) de comburant, permettant de mesurer la concentration en oxygène du comburant (6) produit par le concentrateur d’oxygène (2) et/ou du gaz contenu dans le réservoir (90) de comburant ainsi que sa pression et son débit volumique, la sonde (80) pouvant communiquer avec une unité de contrôle (82) permettant, en fonction des données mesurées par la sonde (80), d’ajuster dynamiquement une vanne automatique de régulation de pression ou la vitesse de rotation d’un compresseur (85) de comburant issu du réservoir (90) de comburant et, éventuellement du concentrateur d’oxygène (2) et d’air capté à l’extérieur du dispositif (1), pour optimiser la combustion dans ladite au moins une chambre de combustion (5). 15. Device (1) according to any one of the preceding claims, comprising a probe (80), preferably disposed at an inlet (81) in the admission system (10) of oxidant (6) produced by the concentrator of oxygen (2) and/or gas contained in the oxidant reservoir (90), making it possible to measure the oxygen concentration of the oxidant (6) produced by the oxygen concentrator (2) and/or of the gas contained in the tank (90) of oxidant as well as its pressure and its volume flow, the probe (80) being able to communicate with a control unit (82) making it possible, according to the data measured by the probe (80), to dynamically adjust a valve automatic pressure regulation or the speed of rotation of an oxidizer compressor (85) coming from the oxidizer reservoir (90) and, optionally, from the oxygen concentrator (2) and air captured outside the device ( 1), to optimize combustion in said at least one combustion chamber (5).
16. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réservoir (90) de comburant est, au moins en partie, alimenté et rempli par ledit au moins un concentrateur d’oxygène (2), de préférence le réservoir (90) de comburant fournissant momentanément à ladite au moins une chambre de combustion (5) une quantité de comburant en excès de la capacité de production dudit au moins un concentreur d’oxygène (2). 16. Device (1) according to any one of the preceding claims, in which the reservoir (90) of oxidizer is, at least in part, fed and filled by said at least one oxygen concentrator (2), preferably the oxidizer tank (90) momentarily supplying said at least one combustion chamber (5) with a quantity of oxidant in excess of the production capacity of said at least one oxygen concentrator (2).
17. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit carburant (4) étant du gazole, notamment du biogazole, de l’éthanol, de l’essence, de l’hydrogène ou un mélange de ceux-ci. 17. Device (1) according to any one of the preceding claims, said fuel (4) being diesel, in particular biodiesel, ethanol, gasoline, hydrogen or a mixture thereof.
18. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un système d’ozonisation (310) du comburant (6) produit par le concentrateur d’oxygène (2) et/ou de gaz contenus dans le réservoir (90) de comburant. 18. Device (1) according to any one of the preceding claims, comprising an ozonation system (310) for the oxidant (6) produced by the oxygen concentrator (2) and/or gas contained in the reservoir (90 ) of oxidizer.
19. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif (1) étant un moteur à combustion ou une chaudière. 19. Device (1) according to any one of the preceding claims, the device (1) being a combustion engine or a boiler.
20. Système (200) de motorisation hybride ou hybride rechargeable comportant au moins un dispositif (1), selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit au moins un dispositif (1) étant un moteur, et au moins un moteur électrique (203). 20. Hybrid or rechargeable hybrid motorization system (200) comprising at least one device (1), according to any one of the preceding claims, said at least one device (1) being a motor, and at least one electric motor (203 ).
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