Brevet FR2347532A1 — publié le 19771104

La présente invention concerne un dispositif pour le refroidissement périodique par de la vapeur du volume interne des moteurs à combustion interne, dispositif ayant pour but, d'une part de réduire la teneur en composants polluants des gaz d'échappement, d'autre part, d'accroître le pourcentage des calories converti en travail mécanique. Selon l'équilibre thermique des-moteurs à combustion interne, dans les moteurs diesels, un tiers des caLories introduites est converti en travail mécanique, un tiers des calories est consommé par le refroidissement et la partie restante est évacuée du moteur ensemble avec les gaz d'échappement. En dépit du fait qu'avec les dispositifs de refroidissement connus,les calories évacuées par le refroidissement doivent astre considérées comme une perte, le pourcentage de calories converti - en travail mécanique peut être accru par la seule atélioration du refroidissement puisqu'en augmentant les calories évacuées par le refroidissement, le pourcentage des calories converti en travail mécanique sera aussi augmenté par rapportrau débit des calories évacuées du moteur ensemble avec les gaz d'-échappement. Dtautre part, un refroidissement excessif peut être considéré comme un inconvénient puisque lors d'un démarrage à froid et pour une faible vitesse de rotation du moteur2 la température nécessaire pour la combustion n'est pas atteinte du fait que les parois du cylindre sont froides Un inconvénient notable des systèmes de refroidîsssement connus par air et par eau, est que la flamme s'éteint le long des parois du cylindre et,par suite de la combustion incomplète, des particules d'hydrocarbures et de gaz carbonique toxiques subsistent dans les gaz d'échappement. Du point dé vue de l'accroissement du rapport des calories introduites par rapport à celles converties en travail mécanique aussi bien que pour assurer des gaz d'échappement dépourvus de particules d'hydrocarbure et de gaz carbonique, les moteurs à pistons libres à deux temps travaillant à température élevée et sous pression élevée, doivent être considérés comme une des premières phases de l'évolution. La pression de combustion de ces moteurs peut atteindre et m"eme surpasser - en raison des la structure de ceux-ci - la pression de 500 atmosphères ; un tel moteur a été décrit dans le brevet américain N 3.868.932.Par suite de la pression élevée de la combustion, le taux des calories converties en travail mécanique augmente également, ce par quoi le volume interne du cylindre est chauffé dans une mesure telle qu'il se produit une combustion complète du combus tille; Lors de l'inåection du combustible, la température du volume interne du cylindre du moteur Diesel à piston libre peut atteindre 10000C, ce par quoi - en raison de l'intensité faible des systèmes de refroidissement connus - la température peut augmenter jusqu'à un multiple au cours de la combustion. En conséquence de la température instantanée élevée, l'azote de l'air entre en réaction et des oxydes a d'azote toxiques sont formés. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus et de mettre au point un dispositif de refroidissement agissant en s'adaptant à la pression élevée e t -aux valeurs élevées des températures des'moteurs Diesel à piston libre lequel est capable de réduire la teneur en composants polluants des gaz d'échappement, en accroissant simultanément le pourcentage des calories converties en travail mécanique. Conformément à la présente invention, le but est atteint du fait que le refroidissement du moteur à combustion interne à piston libre est effectué au moyen de vapeur d'eau, en utilisant un dispositif d'injection injectant l'eau de refroidissement directement dans le cylindre, avec de plus un organe de refroidissement qui peut effectuer un déplacement libre au cours de la combustion dlcom u Xble lorsque la pression dépasse une valeur prédéterminée, le dispositif de refroidissement étant équipé d'un dispositif d'injection injectant une certaine quantité d'eau de refroidissement proportionnelle au déplacement du dispositif de refroidissement qui effectue un mouvement libre, le dispositif étant de plus muni d'un organe pour retarder l'ouverture et accélérer la fermeture de l'orifice d'injection du dispositif d'injection et comportant de plus un organe servant à ouvrir progressivement 1' orifice d'injection de l'organe d'injection et le volume d' injection de l'organe injectant l'eau de refroidissement étant limité par le volume de teneur en eau de la vapeur sèche sous une pression atmosphérique convenable. Les caractéristiques du système de refroidissement interne du dispositif conforme à la présente invention ont pour but d' assurer la réalisation des actions décrites ci-après : - pour éviter les difficultés se produisant lors d'un démarrage à froid et pour éliminer une combustion incomplète du combustible, on doit se prémunir contre le refroidissement du moteur froid et assurer que l'injection de l'eau de refroidissement ne s'effectuera seulement qu'après que l'on ait atteint la température pour laquelle il se forme des oxydes d'azote, - afin d'éviter l'extinction de la flamme et la combustion incomplète du combustible, respectivement, les périodes de refroidissement unitaires doivent commencer graduellement, de façon à assurer ainsi le développement des périodes de combustion unitaires;; - afin d'éviter la formation d'oxydes d'azote, la quantité d'eau de refroidissement injectée doit être toujours suffisante pour maintenir ltespace interne à une température pour laquelle la formatipn d'oxydes d'azote n'est pas possible; - afin de convertir l'eau de refroidissement en un travail mécanique effectif, l'injection de l'eau de refroidissement doit être arrêtée à un moment convenable pour assurer la formation de vapeur susceptible d'assurer un travail et pour assurer l'effet à exercer sur les pistons - afin d'épurer efficacement les gaz d'échappement et de prolonger la durée de vie des cylindres, la quantité d'eau de refroidissement doit être limitée de manière que les gouttes d'eau à réaction acide, résultant de la détente de la vapeur et précipitant sur les particules de gaz polluant, ne se condensent pas à l'intérieur du cylindre mais seulement sous l'influence de la détente qui a lieu à l'intérieur du pot d'échappement. Afin de satisfaire aux conditions énumérées ci-dessus, l'organe de refroidissement doit détecter l'apparition de la première phase de la période de combustion et suivre le développement de la détente du mélange gaz-vapeur après que l'injection d' eau ait eu lieu, l'organe de refroidissement devant sur la base de ces données contrôler l'instant et l'importance quantitative de 1' injection de l'eau de refroidissement. L'organe de refroidissement selon la présente invention effectue, sous l'influence de la progression des ondes de pression de la première phase de combustion, un déplacement libre, ce par quoi le déroulement dans le temps du déplacement est défini non seulement par la combustion qui a déjà commencé mais aussi par l'état de déplacement du piston de travail délimitant un des côtés de la chambre à combustion puisque la longueur de l'espace du cylindre délimité par le piston de travail, la direction de déplacement et l'accélération exercent un effet sur les ondes de pression engendrées par la combustion.L'état du déplacement du piston de travail sera défini tout d'abord durant la première phase de la combustion aussi bien qu'au cours de la détente suivant la combustion - par la charge intantanée du moteur ; en conséquence, le déplacement libre de l'organe de refroidissement durant la première phase de la combustion reflète les caractéristiques d'évolution de la détente suivant la combustion, ces dernières dépendant des conditions de la charge mécanique, simultanément les conditions résultant de l'interaction entre la charge mécanique du moteur et la première phase de la combustion deviennent apparentes au cours dudit déplacement. Lors du fonctionnement du moteur, l'injection de l'eau de refroidissement définie par le déplacement libre établit un mécanisme de contrôle automatique qui assure le refroidissement nécessaire pour la combustion complète de combustible sans formation d'oxydes d'azote, au moyen de l'évaporation de l'eau de refroidissement injectée, avec l'aide de l'énergie et du travail de la vapeur engendrée et de la condensation de la vapeur d'échappement. Ledit mécanisme convertit une partie notable de la chaleur de refroidissement en travail mécanique et assure l'élimination de la calamine formée et des gaz toxiques ensemble avec les gouttes d'eau p-récipitées dans le silencieux. Par comparaison avec les solutions connues jusqu'ici, le dispositif de refroidissement conforme à la présente invention peut être considéré dans son ensemble comme une préchambre avec parois mobiles qui envoie le moyen de refroidissement dans le volume du cylindre sous une quantité contrôlée automatiquement après que la détente ait eu lieu0 Pour les moteurs à combustion interne avec pistons conduits, travaillant à une température relativement basse et sous une pression faible, l'air comprimé peut Astre utilisé avec de bons résultats. A contrario, pour les moteurs à combustion interne à piston libre travaillant à température élevée et sous pression élevée, l'utilisation d'un milieu de refroidissement avec une extraction de chaleur plus élevée, de préférence de la vapeur d'eau, est impérative.Lors de 1' utilisation des moteurs à combustion interne à pistons libres, l'inertie de l'évaporation de l'eau ne pose aucun problème puisque la pression régnant dans le cylindre égale approximativement et surpasse même la pression critique de 225 atmosphères. Au-dessus de cette pression, la conversion de liteau en vapeur d'eau surchauffée s'effectue sous forme explosive sans vapori- sation. La période d'évaporation7 qui correspond au millième de seconde, devient possible par la conformation spéciale du dispositif de refroidissement, lorsque la pression règnant dans l'espace interne exerce un effet sur une surface surpassant de 20 à 50 fois la surface du piston d'injection, ce par quoi la pression d'inåection dépasse 100 atmosphères ; en conséquence, l'eau à injecter arrive sous une condition d'énergie correspondant à celle de la vapeur, dans l'alésage d'injection, c'est-àdire que l'effet de refroidissement dans le cylindre est exercé par la vapeur et non par l'eau. On décrira ci-après un exemple de réalisation de la présente invention avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : Fig. 1 représente le dispositif de refroidissement conforme à la présente invention Fig. 2 représente à une plus grande échelle une forme de réalisation de l'organe injectant l'eau de refroidissement, et Figes. 3 et 4 représentent le dispositif assurant 1' ouverture retardée et la fermeture accélérée de l'organe d'injection et le dispositif assurant l'ouverture progressive de cet organe, respectivement. Le cylindre 1 du moteur est fermé, à l'aide de vis 7, au moyen du couvercle 4. La chemise 3 disposée dans le cylindre 1 est montée coulissante sur le piston de travail 2 avec étan chéité assure par les segments 6. Le gicleur 10 est vissé dans le couvercle 4. Le ressort hélicoldal 9 appuyant contre le couvercle 4 appuie la plaque mobile 8 de l'organe de refroidissement avec une force notable sur la partie périphé- rique de la chemise 3. Dans la plaque mobile sont usinés plusieurs alésages cylindriques il (cinq dans le mode de réalisatio4 Les pistons 12 fixés sur le couvercle 4 s'adaptent étroitement dans le couvercle. Les alésages cylindriques 11 sont connectés à l'espace du cylindre 5 par ltintermédiaire d'alésages d'injection 21.Sur la partie inférieure des alésages cylindriques est disposé un élément de fermeture, par exemple un élément fermant le gicleur à eau composé de deux moitiés 19 - 20. Dans la partie centrale des pistons 12 sont formés des alésages 15. Le conduit 14 distribuant l'eau de refroidissement est connecté aux extrémités supérieures des alésages 15 tandis que les extrémités inférieures des alésages 15 sont fermées par une soupape de sécurité incorporant un ressort de fermeture 18 et une bille 13. La bague de fermeture 17 fixée sur le couvercle 4 au moyen de vis 22 sert, d'une part, à fixer le piston 12, d'autre part, à fermer le conduit de distribution 14 par l'intermédiaire du dispositif d'étanchéité 23. Le raccord 16 est connecté au conduit de distribution 14 et assure l'entrée de l' eau de refroidissement sous une pression faible. Le système de refroidissement travaille comme suit Le piston 2 se déplace vers le haut et comprime lgair à l'intérieur du cylindre 5 et ultérieurement le gicleur 10 assure l'injection pour une position convenable du piston 2. Le front de flamme à haute pression formé dans le volume 5 du cylindre déplace la plaque mobile 8 cdntre l'action du ressort hélicoldal 9 tandis que les pistons 12 sont enfoncés dans les alésages cylindriques 11e La pression d'eau règnant dans les alésages cylindriques li écarte l'un de l'autre les éléments 19, 20 fermant le gicleur à eau, des jets de vapeur étant injectés dans le volume du cylindre 5 à travers les alésages d'injection 21. Les jets de vapeur injectés refroidissent le cylindre 5 et l'évaporation s'effectue violemment, de manière semblable à une explosion. Le mélange sous pression élevée en résultant, composé de gaz et de vapeur d'eau, déplace le piston 2 vers le bas tandis que la pression règnant dans le volume du cylindre est réduite dans une mesure telle que la plaque mobile 8 est ramenée vers l'arrière paroles ressorts hélicoldaux 9 ; il en résulte que les volumes des alésages cylindriques sont augmentés. En raison du déplacement de la bille 13 contre 1' action du ressort de fermeture 18, les alésages cylindriques Il sont remplis avec l'eau de refroidissement à travers les alésages 15. Un retour en arrière excessif de la plaque mobile 8 est limité par butée sur le couvercle 4. L'organe injectant l'eau de refroidissement du dispositif de refroidissement illustré dans la figure 3 est représenté, de manière agrandie et plus en détail, dans la figure 2. D'après cette figure, on peut voir qu'entre le piston 12 et le couvercle 4 est inséré un élément élastique 24. Durant la course vers I' arrière de la plaque mobile 8, le déplacement du piston 2 contre l'action de l'élément élastique 24 est limité dans une certaine mesure par la pression d'eau règnant dans l'alésage cylindrique ; simultanément les éléments 19, 20 fermant le gicleur à eau sont ouverts, ce par quoi une injectiion dans le cylindre 5 s'effectue à travers l'alésage d'injection 21. Les éléments 19, 20 fermant le gicleur d'eau et l'élément élastique 24 assurent, avec une bonne approximation, une quantité d'eau injectée correspondant à une parabole cubique en fonction du déplacement. L'organe injectant 11 eau est insensible aux ondes de pression ondulatoires mais il présente une certaine sensibilité pour un déplacement notable de la plaque mobile 8, où il réagit en augmentant la quantité d'eau de refroidissement. Par suite de ladite réaction, la combustion - qui est en corrélation avec l'augmentation de la pression - s'effectue dans le moteur Diesel à piston libre d'une manière convenable. 'Dans le but d'une meilleure illustration, l'élément élastique 24, représenté en coupe dans la figure 2, est représenté en plan dans la figure 3. L'élément élastique est réalisé à partir d'un corps cylindrique, réalisé en un matériau élastique à base d'acier et résistant à la corrosion, ledit élément étant muni de six forages radiaux distribués de manière équidistante à mi-hauteur dudit corps, après quoi les alésages radiaux sont ouverts alternativement depuis le haut et depuis le bas, par un fraisage sous un angle de 450, La conformation peut être effectuée relativement facilement et donne un élément élastique avec des caractéristiques d'élasticité excellentes. De manière similaire, des éléments 19, 20 fermant le gicleur d'eau possèdant des caractéristiques de fonctionnement idéales et représentés en perspective dans la figure 4, peuvent être préparés sans difficulté, ces éléments étant réalisés en un matériau élastique à base d'acier résistant à la corrosion sous forme d'une chemise semi-cylindrique présentant une surface plane en bas et limitée au sommet par un puis conique dont le plan de séparation est meule avec une précision élevée. Les éléments 19, 20 fermant le gicleur d'eau sont en appui l'un contre l'autre selon leur plan de Réparation, du fait que la chemise cylindrique externe s'adapte dans l'alésage cylindrique 11 avec un certain recouvrement. La pression, qui agit à partir du dessous, comprime les éléments 19, 20 de fermeture du gicleur d'eau l'un contre l'autre de manière à assurer une auto-feeture tandis que la pression agissant depuis le dessus, dans la direction du puitsconique supérieur, ouvre - après avoir atteint une certaine valeur de pression - une fente oblongue étroite dans la partie centrale , fente à travers laquelle l'eau de refroidissement peut être injectée.Les deux éléments 19, 20 de fermeture de gicleur d'eau divergent de manière similaire les uns par rapport aux autres, de sorte qu' entre lesdits éléments aucun frottement métallique ne se produit, ce qui entraine une durée de vie prolongée du dispositif. La fente entre les éléments 19, 20 de fermeture du gicleur d'eau s' ouvre progressivement, l'amplitude de la fente étant proportionnelle au moment, ce par quoi ladite propoltiainalité assure un démarrage progressif de l'injection et un étranglement spéeifique d'importance constante, respectvivement. L'avantage principal du dispositif de;refroidissement selon la présente invention réside en ce que la pollution des gaz d'échappement peut être réduite de manière notable en augmentant simultanément l'efficacité réelle du moteur. Un~avantage supplémentaire réside en ce que, dans la condition de pression la plus élevée de l'espace interne, le dispositif de refroidissement peut effectuer un déplacement libre, ce par quoi la contrainte mécanique sur la culasse peut être réduite au minimum. L'énergie engendrée par la vapeur de refroidissement peut être considérée comme avantageuse non seulement en ce qui concerne l'accroissement de la puissance mécanique de sortie, mais aussi du point de vue de l'amélioration de la stabilité de fonctionnement du moteur. En mettant en oeuvre le dispositif de refroidissement selon la présente invention, tous les problèmes de refroidissement peuvent être résolus de maniere optimale, d'autre pa t, la pollution par les gaz d'échappement peut être réduite de manière notable dans les moteurs Diesel à combustion interne deux temps. REVENDICATIONS 1. Un dispositif de refroidissement pour moteur à combustion interne spécialement pour le refroidissement par la vapeur d'eau des moteurs DieseL å combustion interne deux temps munis d'un dispositif d'injection qui alimente l'eau de refroidissement directement dans le cylindre caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement peut effectuer un déplacement libre quand une certaine augmentation prédéterminée de la pression a été dépassée et en ce qu'il comporte de plus un dispositif d' injection pour l'injection d'une quantité d'eau proportionnelle au déplacement du dispositif de refroidissement effectuant un déplacement libre, le dispositif comportant de plus un dispositif servant à retarder l'ouverture et à accélérer la fermeture de l'orifice d'injection du dispositif d'injection, le dispositif étant de plus muni d'un organe pour l'ouverture progressive de l'alésage d'injection du dispositif d'injection tandis que le volume d'injection du dispositif injectant l'eau de refroidissement est limité par le volume de la teneur en eau de la vapeur sèche sous une pression atmosphérique convenable. 2. Un dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement effectuant un mouvement libre comporte une plaque mobile délimitant le volume du cylindre dans la direction du couvercle et s'adaptant de manière mobile dans le cylindre, ladite plaque mobile venant en butée sur le flasque de la chemise tandis que dans la direction opposée au volume du cylindre, la plaque mobile est supportée par un ressort hélocoldal pré-comprimé inséré entre ladite plaque et le couvercle. 3. Un- dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que dans la plaque mobile sont usinés des alésages cylindriques, les pistons fixés sur le couvercle faisant saillie dans les alésages cylindriques étanches et les alésages cylindriques et l'espace du cylindre étant connectés l'un à l'autre par les alésages d'injection. 4. Un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif servant à retarder l'ouverture et à accélérer la fermeture de l'alésage d'injection du dispositif d'injection est muni d'un élément élastique inséré entre le piston d'injection et le couvercle. 5. Un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le dispositif assurant l'ouverture progressive de l'alésage d'injection du dispositif d'injection de l'eau de refroidissement est muni d'éléments de fermeture du gicleur d'eau disposés dans les alésages cylindriques. 6. Un dispositif de refroidissement selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'élément élastique est formé à partir d'un corps cylindrique constitué en un matériau élastique à base d'acier résistant à la corrosion,ledit élément étant traversé par six alésages radiaux distribués de manière égale à mi-hauteur dudit corps, les alésages radiaux étant débouchés alternativement vers le bas et vers le haut par -fraisage sous un angle à 45 . 7. Un dispositif de refroidissement selon la revendication 5 caractérisé en ce que les éléments fermant le gicleur d'eau sont réalisés en un matériau élastique à base d'acier résistant à la corrosion, conformés sous forme d'une chemise semicylindrique limitée, dans une direction, par une surface plate et, dans l'autre direction, par un puits conique et en ce qu'en raison de la dimension de la surface externe cylindrique meulée dans le plan séparateur, ils s'adaptent avec un recouvrement à la dimension des alésages cylindriques les renfermant.