Brevet FR2259985A1 — publié le 19750829

L' invention concerne un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion et les équipements nécessaires à l'amenée du carburant et des gaz contenant de l'oxygène ainsi que l'équipement d'évacuation des gaz d' échappement, un dispositif d'allumage et l'équipement nécessaire à la transformation de l'énergie calorifique en énergie mécanique. On connalt des moteurs à combustion interne du genre visé, qui utilisent l'essence ou le carburant Diesel. D'autre part, sont apparus des moteurs à combustion interne fonctionnant au gaz liquide fourni par des hydrocarbures. L'inconvénient qui affecte ces moteurs à combustion interne est que les gaz d'échappement contiennent des produits nocifs ne pouvant etre éliminés par les procédés usuels. D'autres inconvénients proviennent du caractère inflammable et explosif des carburants. Par ailleurs, sont apparus d'ores et déjà des moteurs fixes à combustion interne fonctionnant à l'hydrogène. L'alimentation en hydrogène de ces moteurs fixes à combustion interne s'est avérée particulièrement onéreuse du fait qu'aux températures normales, l'hydrogène ne se rencontre qu'à l'état gazeux et que sa liquéfac;tion ne peut être obtenue meme à des températures largement inférieures à O C. La faible densité éner gétîque par unité de volume fait que l'utilisation de l'hydrogène, pour l'alimentation des moteurs à combustion interne, est assortie de très nombreux inconvénients. Il incombe à la présente invention de présenter un moteur à combustion interne > fonctionnant avec un carburant, essentiellement non dangereux, existant en quantité suffisante et pouvant être facilement embarqué par les unités mobiles. D'autre part, le rendement de Ia producticn de I'é- nergie doit pouvoir se situer à un haut niveau. Par ailleurs, le moteur à combustion interne doit présenter les avantages du moteur à hydrogène sans toutefois être affecté des inconvénients cités. L'invention résout le problème par le fait qurune intallation de craquage de l'ammoniac est associée à la chambre de combustion. On obtent ainsi un moteur à combustion interne pour lequel le carburant, em barqué sous forme d'un produit maniable sans danger, est dirigé après craquage dans l'installation de craquage, dans la chambre de combustion sous forme d'un gaz permanent inflammable pour y être brûlé en présence du volume nécessaire de gaz à teneur d'oxygène. I1 s'est avéré particulièrement opportun de diriger dans la chambre de combustion un carburant sous forme d'ammoniac craqué. On acquiert ainsi l'avantage de pouvoir manipuler facilement et avec sécurité l'ammoniac sous forme de gaz liquéfié Cet avantage se retrouve également dans les moteurs fixes,par exemple. De plus, l'ammoniac présente l'avantage de ne pas laisser de résidus en cours de fonctionnement et de ne pas générer de produits nocifs lors de la combustion dans la chambre à combustion, mais de n'y produire que des éléments naturels non dangereux, qui sont contenus de toute manière en grandes quantités dans l'air et qui n'influent pas sur l'équilibre de la nature. Pour parvenir de la configuration du moteur à combustion interne à une installation particulièrement avantageuse, il y a lieu de donner à l'installation de craquage une structure adéquate permettant d'obtenir la température exigée pour le craquage, d'une part1 et l'amenée de énergie nécessaire à ce craquage, d'autre part.Par ailleurs, il y a lieu de veiller à ce que la structure adéquate de l'ensemble du moteur à combustion interne se prete à l'exploitation, au plus haut niveau de rendement possible, ce qui revet une importance capitale du fait que la teneur énergétique, par unité de volume, de l'ammoniac est sensiblement égale à celle de I'hydrogène liquéfié par le principe de la cryogénie. Il y a lieu, d'autre part, d'assurer le refroidissement optimal des éléments du moteur inclus dans le circuit de refroidissement tels que les cylindres, les parois des chambres de combustion, les pistons, etc A cet effet, une autre configuration de l'objet de I'invention prévoit qu'un échangeur de chaleur, branché sur la conduite d'alimentation en carburant ou sur le tuyau d'évacuation des gaz d'échappement, reçoit les flux de gaz d'échappement et de carburant.Selon que le carburant doit être échauffé, évaporé, craqué, ou refroidi, et que le gaz d'échappement doit être refroidi ou échauffé, l'échangeur de chaleur est monté à l'emplacement correspondant de la conduite d'évacuation ou de la conduite d'alimentation. La structure de l'échangeur de chaleur peut être du type tradi tionnel. Dans le cadre de l'invention, il est parfaitement admis de faire appel, en cas de besoin, à plusieurs échangeurs de chaleur ou d'utiliser des échangeurs de chaleur comportant plusieurs degrés d'efficacité. Bien entendu, on peut faire appel aux éléments utilisés pour l'échange de la chaleur, pour le chauffage de la cabine ou pour le préchauffage. L'ammoniac, dirigé dans l'installation de craquage qui se trouve associée à la chambre de combustion, peut être remplacé par un ou plusieurs de ses dérivés. Les dérivés de l'ammoniac peuvent également être soumis au craquage dans une installation séparée et l'ammoniac qui y est produit, être dirigé ensuite dans l'installation de craquage du moteur à combustion interne. Pour réaliser le craquage de l'ammoniac et/ou de ses dérivés, le moteur à combustion interne peut être réalisé de manière à ce que la conduite d'évacuation des gaz d'échappement enveloppe l'installation de craquage. Cette disposition permet, à l'aide des gaz d'échappement à haute température qui traversent la conduite dlévacuationl de porter, au moins une installation de craquage, à la température nécessaire à la fission. Dans d'autres cas, il est avantageux et conforme à l'invention de disposer la conduite d'évacuation des gaz de manière à ce qu'elle traverse l'instaIlation de craquage. Cette disposition permet d'obtenir un meilleur échange en cas de subdivision de la conduite d'évacuation en plusieurs branches. Conformément à l'invention, l'installation de craquage peut être installée sur une branche auxiliaire de la conduite d'évacuation des gaz. Cette disposition permet, par exemple, de maintenir une partie des gaz d'échappement à la température élevée nécessaire pour d'autres usages. Un avantage tout particulier résulte de la disposition à laquelle, conformément à l'invention, une ou plusieurs canalisations conductrices de la chaleur relient la chambre de combustion à l'installation de craquage. Cette disposition permet de diriger en très peu de temps sur l'ainsi tallation de craquage, la température élevée, ainsi que la chaleur nécessai-- res au craquage, en provenance de la chambre de combustion. Ceci présente un avantage tout particulier pour le démarrage, Pendait le fonctionnement normal cette liaison thermique peut être arrêtée dans le cas où la température et l'énergie calorifiques peuvent être produites par ailleurs. D'autre part, et conformément à llinvention, l'installation dé- vacuation des gaz comporte au moins une canalisation conductrice de la chaleur. Une canalisation conductrice de la chaleur est reliée, par exemple, à l'installation de craquage de l'ammoniac et/ou de ses dérivés et dirige sur cette installation de craquage la température voulue et la chaleur de craquage nécessaire à partir de la température et du degré de refroidissement des gaz d'échappement. Plusieurs autres canalisations conductrices de la chaleur peuvent être aménagées à différents endroits de la conduite d'évacuation des gaz pour la relier à une installation réservée au craquage des déri vés de l'ammoniac.Ainsi la température et la quantité de chaleur nécessaires sont prélevées sur les gaz d'échappement et acheminées sur l'installation de craquage pour y couvrir les besoins requis pour produire, par cra quage > l'ammoniac a partir des produits dérivés de cet ammoniac. Ceci présente un avantage du fait qu'en général la température nécessaire au craquage des dérivés de l'ammoniac est différente de la temr pérature de craquage de l'ammoniac lui-meme. D'autres canalisations conductrices de chaleur peuvent relier, par exemple, la conduite d'évacuation des gaz d'échappement à la conduite d'alimentation en carburant, à un échangeur de chaleur ou au chauffage de la cabine. I1 est possible également de brancher une canalisation conductrice de chaleur sur la conduite de raccordement entre le générateur de craquage et la chambre de combustion et de relier cette canalisation conductrice de chaleur à la conduite d'alimentation en carburant ou à la conduite dlévacuation des gaz d'échappement. Cet aménagement permet de refroidir le gaz sortant de l'installation de craquage et résultant du craquage de ltammoniac, à la température requise à l'entrée dans la chambre de combustion. La ou les canalisations conductrices de chaleur sont disposées de manière à ce qu ' elles relient chacune 2 points du moteur à combustion interne, dont l'un qui doit être refroidi, présente une température plus élevee que l'autre qui doit être échauffé ou qui doit alimenter un autre proces sus consommateur de chaleur En ce qui concerne l'installation de craquage en particulier, celle-ci peut présenter, conformément à l'invention, la forme d'un tube chauffant annulaire. Les canalisations conductrices de chaleur reliées à llinstal- lation de craquage peuvent être branchées sur un chauffage électrique ou autre qui permet de diriger une énergie calorifique supplémentaire sur l'ins- tallation de craquage. Ceci est particulièrement avantageux pendant la phase de démarrage du moteur. Conformément à l'invention, une ou plusieurs thermopompes peuvent être intercalées dans la conduite d'évacuation des gaz d'échappement. Ainsi, les thermopompes prélèvent l'énergie calorifique encore contenue dans les gaz d'échappement à faible température et dirigent cette énergie à température plus élevée sur le carburant, sur l'installation de craquage, ou sur le gaz à teneur d'oxygène, nécessaire à la combustion. Dans une autre configuration conforme à l'invention, le mo- teur à combustion interne comporte une ou plusieurs thermopompes intercalées dans le système de refroidissement. A cet effet, l'évaporateur de la thermopompe est relié, soit drectementt soit par l'intermédiaire d'un agent réfrigérant, aux éléments à refroidir. Ainsi, les thermopompes prélèvent, sur le système de refroidissement, les quantités de chaleur excédentaires pour les diriger à température plus élevée, sur les éléments ou les carburants du moteur à chauffe r. Conformément à l'inventionl le moteur à combustion interne peut comporter des conduites de raccordements ou d'évacuation au travers desquelles la conduite du carburant reliant le réservoir à l'installation de craquage passe par les chambres de refroidissement du moteur. Ces raccordements permettent ainsi d'asperger avec le carburant liquide ou gazeux les éléments du moteur à refroidir, tels les pistons, le rotor et les paliers - ce qui a pour effet d'échauffer ou d'évaporer le carburant, tout en refroidissant les éléments du moteur. Pour ce faire, les éléments à refroidir peuvent être reliés entre eux et dans l'ordre croissant des températures, par. une installation assurant le circuit du carburant. Conformément à l'invention, on peut intercaIer un turbocompresseur dans la conduite d'évacuation des gaz d'échappement du moteur à combustion interne. Cette mesure permet de prélever une partie de l'énergie contenue dans les gaz d'échappement et de l'utiliser pour la compression, soit du gaz à teneur d'oxygène nécessaire à la combustion, soit du carburant craqué ou gazeux. Selon le cas, l'élément compresseur du turbocompresseur est relié, soit à la conduite du carburant, soit à la conduite du gaz à teneur d'oxygène nécessaire à la combustion,dans le but d'augmenter le rendement du moteur à combustion interne et de réduire les pertes d'énergie au minimum. REVENDICATIONS I. Moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion et les équipements nécessaires à l'amenée du carburant et du gaz contenant de l'oxygène ainsi que l'équipement nécessaire à llévacuation des gaz d'échappement, un dispositif d'allumage et ltéquipement nécessaire à la transformation de l'énergie calorifique en énergie mécanique, caractérisé en ce qu'une installation de craquage de l'ammoniac est associée à la chambre de combustion. 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un carburant, sous forme d'ammoniac craqué est dirigé dans la chambre de combustion. 3 Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un échangeur de chaleur, branché sur la conduite d'alimentation en carburant, reçoit des flux de gaz d'échappement et de carburant 4. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 et Z, caractérisé en ce que la conduite d'évacuation des gaz dtéchap- pement enveloppe l'installation de craquage. 5. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce que la conduite d'évacuation des gaz d'échappement traverse l'installation de craquage 6. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé-en ce que l'installation de craquage est installée sur une branche auxiliaire de la conduite d'évacuation des gaz d'échappement 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications I à 6 > çaractérisé en ce qu'une canalisation conductrice de chaleur relie la chambre de combustion à l'installation de craquage. 8. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une canalisation conductrice de chaleur est aménagée dans l'installation d'évacuation des gaz d'échappement. 9. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que l'installation de craquage est réalisée sous forme d'un tube chauffant annulaire. 10. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une thermopompe est intercalée dans la conduite d'évacuation des gaz d'échappement. 11. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'une thermopompe est intercalée dans le système de refroidissement. 12. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications I à 11, caractérisé en ce que ltéquipement d'alimentation en carburant, reliant le réservoir à l'installation de craquage, passe par les chambres de refroidissement du moteur. 13 Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications I à 12, caractérisé en ce qu'un turbocompresseur est inter calé dans Ia conduite d'évacuation des gaz d'échappement.