Brevet FR2400622A1 — publié le 19790316

La présente invention concerne un procedé d'alimentation d'un moteur à combustion interne en utilisant un gaz contenant une plus forte teneur en oxygene que l'air ou gaz oxygéné Un tel procédé est déjà connu d'après la demande de brevet.en République Federale d'Allemagne publiée sous le No 20 45 663. Suivant ce procédé, on extrait de l'oxygène d'un recipient sous pression et on l'introduit dans le conduit d'alimentation en air de combustion du moteur. On se heurte cependant à un inconvénient du fait qu'on doit disposer d'une assez grande réserve d'oxygene pour le cas ou le moteur est appele à fonctionner pendant une assez longue période de temps.De plus, du fait qu'on utilise des réservoirs de gaz à haute pression, il se pose des problèmes de sécurité dont il convient que l'on twenne comptes ce qui est notamment lecas pour ce qui concerne les installations mobiles, par exemple, des véhicules. E outre, le fait qu'on est dépendant d'une alimentation externe en oxygène limite les possibilites d'application du procédé. L'invention a pour but d'améliorer un procéde du type defini::ci-dessus de façon à remedier aux inconvénients précités et à permettre une adaptation optimale du moteur aux conditions existantes de marche. Ce problème est resolu par production continue et en quantité et composition reglables du gaz oxygéne, à partir de l'air, dans la zone du moteur à combustion interne. Suivant une caracteristique importante de l'invention, l'air ambiant est conditionné de manière que sa concentration en oxygene soit portée à une valeur supérieure susceptible d'erre modifiée sélectivement à tout instant de marche. Ceci n'est cependant pas réalisé, comme dans le procédé connu faisant l'objet de la demande de brevet en République Fedérale d'Allemagne publiée sous le No 20 45 663, par addition d'oxygène à l'air mais, au contraire, par réduction de la teneur de l'air en gaz inertes, de l'air. Ce procédé ne necessite en fait aucune reserve d'oxygène pur destiné à être mélangé à l'air de combustion. Il peut, pour cette raison, entre utilisé d'une façon très universelle, par exemple egalement dans des régions ou on ne dispose pas, ou ne dispose pas aisement d'une alimentation en oxygene pur. La concentration réglable, et par conséquent variable, en oxygène, permet d'adapter la marche du moteur aux conditions environnantes de la maniere la plus favorable, par exemple en vue d'établir une composition déterminee des gaz d'échappement. Suivant un mode avantageux de mise en oeuvre due l'invention, le gaz enrichi en oxygene est produit par un procède d'adsorption avec variation de pression. L'utilisation de plusieurs adsorbeurs permet, d'une manière connue, de produire d'une façon continue un gaz présentant une teneur en oxygène supérieure à celle de l'air. A cette fin, on prevoit de courtes périodes de commutation de l'installation d'adsorption avec variation de pression pour pouvoir utiliser de petits adsorbeurs. Cela est notamment important dans le cas de moteurs non installés en un point fixe. En outre, on obtient pour les courtes périodes de commutation un mode de fonctionnement favorable des installations dladsorption avec variation de pression pour ce qui concerne l'utilisation des calories d'adsorption et des frigories de désorption. Une autre possibilité de réduire le pourcentage de gaz inertes dans l'air et d'augmenter la teneur en oxygène consiste à utiliser un procédé d'osmose ou de diffusion ou les diaphragmes qui assurent la séparation des gaz peuvent être formés aussi bien de matière plastique que de métal. Ces procédés permettent d'obtenir de façon continue un gaz dont la teneur en oxygène est supérieure à celle de l'air. Enfin, il est possible dans le cadre de l'invention pour produire le gaz oxygéné, ' de- combiner une étape d'adsorption avec variation de pression avec une étape d'osmose ou de diffusion. Lors de l'installation d'une installation d'adsorption avec variation de pression, il peut être avantageux nue les périodes de commutation de cette installation soient réglables. Ce problème peut entre résolu aussi bien par une régulation fixe exercée de l'extérieur que par une commande fonction de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne. Par la régulation des périodes de commutation de l'installation d'adsorption avec variation de pression, on peut faire varier la composition et la quantité du gaz produit. Ainsi, avec une régulation appropriée, le moteur peut entre alimenté avec le gaz le mieux approprié pour chaque condition de marche, par exemple pour chaque plage de vitesses de rotation. L'utilisation du procédé selon l'invention permet, entre autres, d'agir de la manière désirée sur la composition et le spectre d'odeurs des gaz d'échappement. Par exemple, il est possible d'agir sur les concentrations en oxyde de carbone et en oxydes d'azote. Lors de l'utilisation classique de moteurs a combustion interne, le pourcentage de ces produits nocifs et autres dans les gaz d'échappement varie en raison inverse du rapport air-carburant, une augmentation du pourcentage d'air provoquant une réduction de la teneur en oxyde de carbone et une augmentation de la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement, et inversement.Par contre, lorsque la teneur en oxygène de l'air augmente, il se produit comme effet primaire (en supposant qu'on part d'un mélange air-carburant riche), une diminution d'une part de la teneur en oxyde de carbone, du fait de la combustion plus complète du carburant, et, d'autre part, de la teneur-;en oxydes d'azote, du fait de la réduction du pourcentage d'azote dans le gaz introduit, ce qui se traduit par une diminution des deux composants nocifs. En outre, il se déroule de nombreuses réactions secondaires compliquées qui se traduisent par une modification des teneurs relatives des différents composants des gaz d'échappement.Ainsi, par exemple, lorsque la concentration en oxygène du gaz introduit augmente, il s'établit une pius haute température de combustion, ce qui peut suivant les circonstances, provoquer des augmentations du taux de formation des oxydes d'azote. Le procéde selon l'invention peut egalement être utilisé avantageusement lorsqu'on doit faire fonctionner un moteur à combustion interne dans des conditions déterminées, par exemple en ce qui concerne le melange carburant-gaz, la compression, la vitesse de rotation, les carburants utilises, etc., qui établissent des conditions de marche plus avantageuses par rapport à une alimentation en air classique. Ainsi, on peut utiliser un mélange détermine de carburant et de gaz pour obtenir une compression desirée. La fraction d'oxygene réglable permet de maintenir la condition de marche la plus favorable. Egalement, par exemple dans des moteurs qui sont équipes d'un carburateur, le papillon peut prendre une position qu'on ne pourrait pas établir avec une alimentation en air.Ainsi, dans les réalisations connues, on ne peut fermer le papillon qu'à un degré tel que l-'ouverture restante permette l'admission d'une quantite suffisante d'air pour entretenir le processus de combustion du mélange air-carburant. Du fait que, lorsque la concentration en oxygene est augmente, il suffit d'une quantité de gaz plus faible pour assurer la combustion, le papillon peut être plus ferme et il est ainsi possible d'obtenir une plus grande plage de variations qu'auparavant. L'application du procédé selon l'invention permet également, dans des cas particuliers, d'utiliser des carburants qui ne peuvent pas être employés danse cas d'un fonctionnement avec de l'air pour des raisons techniques ou bien pour des raisons économiques. Il s'est avéré avantageux de fournir aux installations de production du gaz oxygéné, par ex. aux installations d'adsorption au variation de pression etZou aux installations d'osmose ou de diffusion, de l'énergie prise aux moteurs afin d'éviter la présence de sources d'énergie supplémentaires. Lorsqu'on utilise des moteurs qul sont équipés de dispositifs d'extraction d'énergie a partir des gaz d'échappement, tels qu'un turbo-compresseuri il est possible de faire fournir egalement à ces dispositifs l'énergie necessaire au fonctionnement des installations précitées. Le procedé selon l'invention peut savoir un effet favorable sur la construction des moteurs à combustion interne qui-fonctionnent suivant ce procédé. Ainsi, il est possible d'envisager des modes de construction qui n'ont pu etre réaîisés jusqu'à maintenant pour des raisons techniques ou économiques. En particulier, il est possible d'obtenir des structures plus compactes et plus petites et, par conséquent, de réaliser des économies de poids et de coût. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaitront a la lecture de la description suivante et de la figure jointe, donnees à titre illustratif mais non limitatif. La Figure unique représente un moteur à combustion alimenté avec un gaz qui est produit à partir d'air par une installation d'adsorption avec variation de pression. Le moteur a combustion I comporte un cylindre 2 dans lequel est disposé un piston 3 qui est relié par l'intermédiaire d'un axe 4 et d'une bielle 5 au vilebrequin 6, par lequel l'énergie mécanique produite est transmise à un appareil de consommation. L'alimentation du moteur 1 en gaz contenant de l'oxygène est réglée par une installation d'adsorption avec variation de pression 7. Celle-ci comporte un compresseur 8, deux distributeurs trois voies 9, 10, deux adsorbeurs 11, 12, des clapets de non-retour 13, 14, 15, 16, et une vanne de réglage 17. Par l'intermédiaire du tuyau 18, de l'air ambiant est aspiré et comprime par le compresseur 8. Cet air comprimé parvient dans l'adsorbeur Il par l'intermédiaire du tuyau 19 et de la vanne 9 ouverte. Les adsorbeurs Il et 12 contiennent un agent d'adsorption qui est approprié pour adsorber l'azote contenu dans l'air et pour laisser passer la fraction d'oxygène. Comme agents d'adsorption appropriés, on peut citer par exemple des tamis moléculaires zéolitiques ayant des diamètres de pores d'environ ss ou d'environ 130. En plus de la fraction d'azote contenue dans l'air, ces agents d'adsorption adsorbent également la fraction de gaz carbonique et de vapeur d'eau contenue dans l'air. Le gaz sous pression et enrichi en oxygène passe ensuite dans le tuyau 20, il ouvre le clapet de non-retour 13, il maintient les clapets de nonretour 14, 15 fermés, et il est ensuite introduit par l'intermédiaire du tuyau 21 dans le moteur 1. Simultanément, l'adsorbeur 12 se trouve dans la phase de désorption. A cet effet, l'adsorbeur 12 est relié par l'intermédiaire du tuyau 22 et du distributeur a trois voies 10 au tuyau 23 par lequel le gaz enrichi en azote lors de la désorption est evacué dans l'atmosphère. En vue d'obtenir de plus forts enrichissements en oxygène et une meilleure régénération de l'agent d'adsorptions on peut effectuer à la suite du processus de détente sélective également un balayage avec un gaz ap proprié. Comme gaz de balayage, on utilise dans ce cas avantageusement une partie du gaz enrichi en oxygène qui a été obtenu dans l'adsorbeur 11. Ce gaz est détendu dans une soupape réductrice réglable 17 jusqu'à peu pres la pression atmosphérique, et il parvient par l'intermédiaire du tuyau 24, du clapet de non-retour ouvert 16 et du tuyau 25 dans l'adsorbeur 12 pour traverser cet appareil dans une direction oppose au sens d'écoulement pendant la phase d'adsorption, puis il est évacue dans l'atmosphère par l'intermédiaire du tuyau 22, du distributeur 10 et du tuyau 23. Lors d'un changement de phase, les distributeurs 9 et 10 sont commutes. L'air comprimé passe alors dans l'adsorbeur 12, le clapet de non-retour 16 se ferme, tandis que le clapet de non-retour 14 s'ouvre aussitôt que la pression dans le tuyau 25 depasse la pression régnant dans le tuyau 21. Il se produit simultanément une détente du gaz dans l'adsorbeur 11 car, sous l'influence du distributeur à trois voies 9 et du tuyau 23, il s'établit un equilibrage de pression avec l'air atmosphérique. Le clapet de non-retour 13 se ferme, car la pression régnant dans le tuyau 21 est supérieure à celle régnant dans le tuyau 20 et le clapet de non-retour 15 s'ouvre aussitôt que la pression dans le tuyau degaz de balayage 24 dépasse la pression dans le tuyau 20. Les distributeurs a trois voies 9 et 10 sont équipés d'un dispositif de commande réglable 26 qui peut être actionné à la main ou bien en fonction des paramètres caractéristiques du processus, par exemple de la teneur en oxygene du gaz produit, ou bien de la vitesse de rotation du moteur 1. Dans le cas de petites installations d'adsorption avec changement de pression 7, qui peuvent par exemple être utilisées dans des véhicules automobiles, les temps s'ecoulant entre deux changements de position sont avantageusement de l'ordre de quelques secondes, par exemple compris entre 1 et 20 secondes, car on peut alors utiliser également les petits adsorbeurs Il et 12. Le gaz riche en oxygène est détendu dans une soupape réductrice 27 à peu près a la pression atmospherique, et il est canalisé jusqu'à un carburateur 28. Le carburant sortant de la buse 29 forme avec le gaz un mélange qui alimente le moteur 1 par llintermediaire du tuyau 30 pendant le temps d'admission. Les gaz de combustion sont déchargés pendant le temps d'echap- pement par l'intermédiaire du tuyau 3. - Dans l'exemple représenté, le moteur 1 est équipé d'une turbine a gaz d'échappement 32 de façon à utiliser l'énergie contenue dans ces gaz. Les gaz d'échappement sont décharges par l'intermédiaire du tuyau 33 dans l'atmosphère et l'énergie mécanique produite par la turbine est utilisée pour faire tourner le compresseur 3 de l'installation d'adsorption avec variation de pression 7. Comme agent d'adsorption, on peut également utiliser des agents adsorbants qui sont appropriés pour adsorber la fraction d'oxygène contenue dans l'air La fraction d'azote contenue dans l'air est déchargée à l'air libre, pendant le processus d'adsorption, à l'extrémité de sortie de l'adsorbeur. Le gaz enrichi en oxygène est produit pendant la détente de l'adsorbeur mis en pression et il est fourni au carburateur. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles a l'homme de l'art, suivant les applications envisagees et sans que l'on ne s 'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'alimentation diun moteur a combustion interne en utilisant un gaz a teneur en oxygène augmentée par rapport à l'air, caractérisé en ce qu'on produit le gaz à partir d'air, de façon continue et en quantité et composition reglables,dans la zone du moteur. 2.- Procédé selon la revendication 1, caracterise en ce qu'on produit le gaz à l'aide d'un procéde d'adsorption avec variation de pression en faisant intervenir de courtes périodes de commande. 3. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérise en ce qu'on produit le gaz par un procédé d'osmose ou de diffusion. 4.- Procédé selon la revendication 2, caractérise en ce que les periodes de cointation del'installation d'adsorption avec variation de pression sont réglables. 5.- Procédé selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce que les périodes ci3 cDrnirrutation de l'installation d'adsorption avec variation de pression sont réglables en fonction de la vitesse de rotation du moteur. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on peut sélectionner la régulation de la teneur en oxygène du gaz de manière que la composition et le spectre d'odeurs des gaz d'echappement soient modifiables d'une manière désirée et/ou qu'on puisse utiliser un mélange déterminé de carburant avec le gaz enrichi en oxygène et/ou qu'on puisse donner les valeurs désires à la vitesse de rotation et à la compression du moteur et/ou que, lors de l'existence d'un carburateur, le papillon puisse être amené dans une position desirée. 7.- Procedé selon l'une quelconque des revendications 2 a 6, caractérisé en ce que l'énergie necessaire au fonctionnement de l'instaation d'adsorption avec variation de pression et/ou l'installation d'osmose ou de diffusion est prise au moteur. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications.2 à 6,-applicable à des moteurs qui sont équipes d'un dispositif servant à utiliser l'énergie contenue dans les gaz d'échappement, caractérise en ce que l'énergie nécessaire pour faire fonctionner l'installation d'adsorption avec variation de pression et/ou l'installation d'osmose ou de diffusion est prise à ce dispositif 9.- Application du procédé selon t'une quelconque des revendications 1 a 8 à des moteurs à combustion interne pour vehicules automobiles.