Brevet FR2257019A1 — publié le 19750801

La présente invention concerne un procédé dtincorpo- ration d'eau dans des carburants à basa d'hydrocarburcsutilisés dans les moteurs à combustion interne. On sait que les moteurs à co.mbustion interna classiques vendus dans le commerce ont un rendement de 2o 28 7 en ce qui concerna la conversion des produits de combustion des hydrocarbures an énergie cine- tique mécanique. Les gaz d'échappement de ces moteurs contiennent des lydro- carbures non brûlés et du monoxyde de carbone provenant d'une combustion incomplète des carburants. En outre, ces gaz d'échappement contiennent des oxydes d'azote dûs aux températures de dissociation atteintes pendant la combustion.Ces oxydes d'azote diminuent encore la quantité d'oxygène disponible pour une combustion totale des carburants à base d1hydrocarbures.Lorsque l'on utilise des mélanges carburant/ air optimums,les moteurs chauffent en raison de la médiocrité des échanges thermiques et des systèmes d'élimination existant dans ces moteurs. Pour cette raison, les mélanges sont l.abítuelle-- ment enrichis en carburant, ce qui diminue le rendement. Dans des conditions idéales, les réactions chimiques mises en jeu par la combustion totale des carburants à base d'hydrocarbures dans l'air conduisentàla transformation de l'bydrogène en eau et du carbone en dioxyde de carbone. En conséquence, pour approcher de ces conditions, on doit disposer d'une quantité d'oxygène suffisante pour que la combustion puisse store totale Les températures élevées atteintes dans ces conditions or.t tendance à provoquer la dissociation de l'azote présent dans l'air et la formation d'oxydes d'azote. C'est l'accroissement du volume des produits de combustion à haute température qui est transformé en énergie cînétioue mécanique.Plus de 45 % de la chaleur utile de combustion est perdue dans les gaz d'échappement Si une partie de cette chaleur pouvait être transformée en un accroissement de la masse moléculaire totale des produits gazeux de combustion, la transformation de la combustion du carburant en énergie mécanique serait globalement améliorée. L'invention concerne un procédé de transformation dne certaine partie de la chaleur de combustion dégagée par un carburant utilisé dans un moteur à combustion interne en un accroissement de la masse moléculaire totale des produits gazeux de combustion par utilisation d'un carburant à base d'hydrocarburescontenant de l'eau sous forme de dispersion de gouttelettes stabilisée par au moins un tensioactif, les hydrocarbures formant la phase continue de ce mélange à deux phases. Selon l'invention, de l'cau est mise en suspension dans des carburants à base d'hydrocarburessous forme de gouttelettes stabilisées par un tensioactif. Le pourcentage d'eau ajouté peut atteindre 25 % en volume. Lorsque cette suspension est pulvérisée ou atomisée dans la chambre da combustion du moteur, elle consiste en gouttelettes d'eau entourées par le carburant à base d'hydrocarbure@.Ce système permet Ü transfert de chaleur efficace du carburant brûlé aux gouttelettes d'eau qui sont vaporisées et aumente la nasse moléculaire totale des produits gazeux de combustion.De plus la chaleur de vaporisation permet de diminuer la température de combustion, ce qui réduit la formation des oxydes d'azote. Ainsi, l'invention concerne également un dispositif pour introduire un mélange combustible dans un moteur à combustion interne comprenant des dispositifs d'alimentation séparés pour les trois constituants du mélange combustible à savoir l'eau, le carburant à base d'hydrocarbures eL un tensioactif, une pompe doseuse permettant l'alimentation en ces trois constituants dans un rapport en volume déterminé à l'avance, un dispositif de mise en ém@lsion permettant de conserver les hydrocarbures comme phase continue contenant les gouttelettes d'eau en dispersion dans le mélange à deux phases et des dispositifs pour pulvériser ou atomiser la suspension résultante dans la chambre de combustion d'un moteur. L'invention concerne également un mode de réalisation modifié de ce dispositif comprenant des dispositifs pour refroidir les gaz d'échappement du moiteur et des dispositifs pour recycler l'eau contenue dans les gaz condensés dans les dispositifs d'alinentation en eau du moteur. L'invention apporte les avantages suivants, en compa- raison avec les méthodes classiques de fonctionnement des moteurs à combustion interne Température plus basse dans la chambre de combustion rduîsaat la formation des oxydes d'azote; Amélioration de la transformation de l'énergie thermique en anergie cinétique, et Economie e de carburant à raison de 25 % au minimum de réduction de là consommation en carburant. Efficacité de combustion améliorée, les gaz d'échappement contenant moins dthy- drocarbures résiduels et de monoxyde de carbone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure l représente schématiquement un dispositif utilisé selon l'inventiw, - la figure 2 représente une pompe doseuse, - la figure 3 représente un dispositif mécanique de mise en émulsion, - la figure 4 représente un autre dispositif de mise en émulsion utilisant des ultrasons, - la figure 5 représente un refroidisseur pour gaz d'échappement, et - la figure 6 représente un ensemble pompe doseusedispositif de mise en émulsion à ultrasons. Le dispositif représenté dans la figure l- représente des réservoirs pour l'eau le carburant à base d'hydrocarbures et le tensioactif correspondant aux références A, B et C. Ces réservoirs servent à alimenter une pompe à pression doseuse D dans laquelle les constituants du carburant sont dosés dans un rapport déterminé à l'avance et envoyés dans l'unité de mise en émulsion E. L'émulsion peut etre réalisée par mélange mécanique ou par dispersion aux ultrasons. Le carburant émulsifié résultant est envoyé dans le carburateur ou l'unité d'injection de carburant F approprié au moteur particulier.Dans certains cas, on peut faire passer les gaz d'échappement à partir du moteur G dans un refroidisseur pour gaz d'échappement H où une partie de l'eau contenue dans les gaz d'échappement peut etre condensée et recyclée dans le réservoir A. L'eau utilisée dans le mélange combustible est de l'eau distillée, de l'eau désionisée sur échangeur ou de l'eau obtenue par condensation des gaz d'échappement. Le carburant à base d'hydrocarbures petit avoir un indice d'octane faible1moyen ou élevé approprié à l'utilisation dans un moteur à combustion interne du type à allumage par bougies. On peut également utiliser des fractions pétrolières lourdes utilisées dans les moteurs à allumage par compression et connues sous le nom de carburant diesel. On peut encore utiliser des fractions pétrolières kérosène/paraffines utilisées comme carburant dans les turbines à gaz et les moteurs à réaction du type à injection continue-et à combustion de carburant. Le tensioactif peut etre lipophile, du type ester complexe ou ester-éther. Ceux utilisés de préférence selon l'invention sont fabriqués sous le nom de marque SPANS par la firme Atlas Chemical Corporation, Etats-Unis d'Amérique. Le tensioactif peut autre égalaient hydrophile. Ces composés sont constitués des divers tensioactifs lipophiles décrits ci-dessus auxquels on a ajouté des chatnes polyoxyéthylène sur les groupes hydroxy non estérifiés. Les tensioactifs de ce type utilisés de préférence selon l'invention sont vendus sous le nom de marque TWEENS par la firme Atlas Chemical Corporation ,Etats-Unis d'Amérique. Les tensioactifs décrits ci-dessus sont ajoutés au mélange carburant/eau en concentration de 0,5 à 2,0 7 en fonction de la méthode de mise en émulsion. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, on mélange au préalable les SPANS et les TWEENS pour obtenir une balance hydrophile/lipophile (BHL) de 4,8-5,2. On a constaté que ce domaine de valeurs était le mieux approprié au maintien d'un système stable dans lequel les hydrocarbures forment la phase continue. La pompe illustrée dans la figure 2 annexée consiste en trois chambres concentriques cylindriques représentées en section par les références A, B et C. Les volumes de ces chambres sont conçus de façon à ce qu'on obtienne des volumes de déplacement correspondant aux rapports corrects pour l'essence (A), l'eau (B) et le tensioactif (C).Des orifices d'introduction sont prévus en D pour le tensioactif, en E pour l'essence et en F pour l'eau. Des orifices de sortie G, H et I sont prévus pour le tensioactif, liteau et l'essence respectix ment. Les cylindres supérieurs sont entratnés par un moteur électrique J par l'intermédiaire d'un ensemble pignon et crémaillère K et d'un embrayage glissant L. La pression d'embrayage ( et par conséquent la pression de sortie ) est ajustée à l'aide de l'écrou moleté M et du ressort N. Un interrupteur 0, dont le bras est sollicité vers ses positions extrêmes, détermine la direction de rotation du moteur et le bras de l'interrupteur P fonctionne entre les tiges de fin de course Q. On réalise un écoulement des fluides unidirectionnel par les soupapes de retenue R. Cette pompe doseuse envoie le mélange combustible dans le rapport en-volume correct, en fonction des besoins du moteur. Lorsqu'elle est arrêtée, les fluides ne sont plus sous pression et on évite ainsi l'entrée de liquides non émulsifiés dans le système de carburant du moteur. La figure 3 annexée représente un dispositif de mise en émulsion par voie mécanique. Un moteur électrique A est relié à la chambre de mise en émulsion B et entraxe un rotor à ailettes C à 8 000 --10 000 tr/mn. Des orifices d'introduction D.E.F. sont reliés aux orifices de la pompe doseuse (G.H.I. de la figure 2) et les fluides s'écoulent par l'intermédiaire de la chambre G vers le rotor à ailettes C où se produisent le mélange et la mise en émulsion. La chambre de sortie H comporte un orifice de sortie I et un canal de recirculation J qui évite une augmentation de pression lorsque la demande en carburant est faible. En raison du médiocre rendement de conversion d'énergie, le dispositif mécanique de mise en émulsion n'est pas approprié pour les débits de carburant élevés (un moteur de 60 W correspond à un débit en carburant maximum d'environ 11,4 1/h). On illustre sur la figure 4 un autre mode de mise en oeuvre d'un dispositif de mise en émulsion comportant une unité de mise en émulsion par ultrasons. Une corne creuse en demi-onde à paroi exponentielle A en alliage de titane/aluminiumlvanadium est disposée à l'intérieur d'une chambre en matière plastique B. La corne A est fixée par une résine époxy chargée à l'argent à eux anneaux C de céramique piézoélectrique en plomb/ zirconium/titanate entre lesquels est placée une plaque correspondant à un noeud D. Un bloc en quart d'onde E d'acier inoxydable forme réflecteur acoustique. Des orifices dtintroduction F, G et H sont reliés aux orifices G, H, I de la pompe doseuse (voir figure 2).Les constituants fluides s'écoulent à travers la corne creuse dans laquelle l'émulsion se produit sous l'influence des ondes acoustiques ultrasoniques produites par les anneaux de céramique piézoélectrique soumis à l'action d'un oscillateur à transistors relié en J et K. L'oscillateur est accordé pour une amplitude maximale du transducteur formé par la corne. Un orifice de sortie est prévu en I. La figure 5 illustre un mode de mise en oeuvre d'un refroidisseur pour gaz d'échappement. Les gaz d'échappement sont conduits dans la chambre A où une partie de la chaleur est utilisée pour évaporer le réfrigérant dans la chambre B qui5 après condensation dans le serpentin C, est conduit dans le serpentin de détente D où il se produit encore un refroidissement des gaz dtéchappement dans la chambre munie de chicanes E. L'eau condensée provenant des gaz d'échappement du moteur est conduite par la sortie F dans le réservoir d'eau A de la figure 1. L'échangeur de chaleur servant à la réfrigération est de conception classique. On illustre dans la figure 6 un mode de mise en oeuvre d'une pompe doseuse et d'un dispositif de mise en émulsion à ultrasons combinés. Un noyau de fer doux A entoure un solénotée B qui, lorsqu'il est alimenté en énergie, attire unie armature de fer doux C comprimant le ressort en spirale conique D. L'armature C est reliée à trois soufflets K, F et G, les dépiaceaa?nts volumiques relatifs étant appropriés pour le tensioactif, le carburant et l'eau respectivement. On réalise une action de pompage unidirectionnel a aide des soupapes de retenue et I. Les trois constituants soe envoyés dans le transdueteur piézoélectrique creux J où la mise en émulsion a lieu. La chambre de mise en émulsion K est munie d'un orifice de sortie L. La pompe fonctionne gracie à des impulsions rectangulaires périodiques provenant d'une unité à semiconducteur de conception classique. Le retour de l'armature C est assuré par le ressort conique D. L'amplitude de la course de retour varie en fonction du volume exigé par le moteur. L'ensemble représenté dans la figure 6 présente l'avantage d'autre compact et de petite taille et de ne comprendre que quelques éléments, de conception simple et mobiles. L'ensemble de l'unité peut fonctionner grâce à des circuits à semi-conducteurs utilisant des circuits intégrés pour des opérations de longue durée ou pour un simple entretien. Des circuits de verrouillage de sécurité permettent de-garantir contre une cessation de l'alimentation en carburant ou du fonctionnement du transducteur. On donne ci-apres un exemple d'une séquence opérationnelle automatique utilisant des détecteurs et des signaux de commande numérique classiques.Pendant les deux premières minutes de l'opération, on envoie du carburant seulement, après quoi l'unité passe à l'alimentation en mélange L'alimentation en eau est interrompue en cas de cessation de l'alimentation en carburant ou en tensioactif, et du carburant seul est délivré 2 mn après que l'alimentation en carburant ou en tensioactif a été rétablie. Les impulsions d'attaque de la pompe doseuse ne sont établies que lorsque le transducteur ultrasonique est en résonance. En cas de panne du transducteur, l'alimentation en eau est coupée. Un signal lumi- neux est couplé avec la commande d'alimentation en eau et s'allume sur le tableau de commande 2 mn après que l'alimentation en eau a été coupée. Ce rctard correspond au temps normal de non-alimentation en eau après le démarrage initial de l'unité. L'exemple suivant illustre l'invention sans toutefois en limiter la portée. Exemple de mélange combustible. Span 80 1,8 % Tween 20 0,2% Eau 25,0% Essence à haut indice d'octane 73,0% On mélange séparément les esters lipophiles et hydrophiles et on réunit les solutions obtenues à l'aide d'un dispositif de mise en émulsion mécanique. On refroidit le mélange a'-150C sans qu1il ne présente aucun signe de séparation physique. On utilise cette solution dans un moteur d'automobile de 1598 cm3 et, apres des essais, on obtient les résultats suivants Essence à haut indice d'octane 14,1 km/l Mélange combustible 25% d'eau/tensioactifs/ essence à haut indice d'octane 15,4 km/l REVENDICATIONS 1. Procédé de conversion d'une partie de la chaleur de combustion dégagée par un carburant utilisé dans un moteur à combustion interne en un accroissement de la masse moléculaire totale des produits gazeux de combustion caractérisé en ce qu' anutillse comme carburant une émulsion d'hydrocainres contenant de l'eau sous forme d'une dispersion de gouttelettes stabilisée par au moins un tensioactif, les hydrocarbures formant la phase continue de l'émulsion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les hydrocarbures consistent en un carburant pétrolier à indice d'octane faible,moyen ou élevé. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les hydrocarbures consistent en une fraction pétrolière lourde. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les hydrocarbures consistent en une fraction pétrolière de kérosène/ paraffines. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le tensioactif est lipophile et/ou hydrophile. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 A 5, caractérisé en ce qu'on ajoute le tensioactif au mélange d'eau et d'hydrocarbures en concentration de 0,5 à 2 Z. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le tensioactif est un mélange d'un tensioactif hydrophile et d'un tensioactif lipophile, la balance hydrophile/lipophile étant comprise entre 4,8 et 5,2. 8. Dispositif pour l'alimentation en mélange combustible d'un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend des dispositifs séparés d'alimentation pour les trois constituants du mélange combustible, c'est-å-dire lteau, des hydrocarbures et un tensioactif, une pompe doseuse permettant d'introduire ces trois constituants dans un rapport en volume déterminé à l'avance, un dispositif de mise en émulsion permettant de conserver les hydrocarbure6 comme phase continue d'un mélange à deux phases, l'eau étant dispersée sous forme de gouttelettes dans les hydrocarbures, et des dispositifs pour pulvériser ou atomiser ce mélange à deux phases dans la chambre de combustion d'un moteur. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qutil comprend des dispositifs pour refroidir les gaz d'échappement sortant du moteur et des dispositifs pour recycler, dans les dispositifs d'alimentation en eau du mélange combustible,lleau contenue dans les gaz condensés résultants. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif de mise en émulsion est mécanique. Il. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif de mise en émulsion est un dispositif à ultrasons.