Brevet FR2501782A1 — publié le 19820917

La présente invention concerne les moteurs à combustion interne et refroidissement par liquides. Pour mon exposé, 3e prends comme référence un moteur de voiture à essence, de fabrication série et, cela à titre indicatif et non limitatif. La perte d'énergie du moteur cité tournant à un régime correspondant à sa vitesse de croisière normale d'après sa cylindrée et ses caractéristiques, est de l'ordre de 75,'. Bulle est dissipée prinotpa- lement par le radiateur et par les gaz d'échappement.D'après les ouvrages consultés et pour un moteur de 25 Kw de puissance utile, voici des données moyennes de rendement global: - Energie dissipée par le radiateur 35 Kv à 80 - Anergie dissipée par les gaz d'échappe ment: 30 Kw à 400- - Rayonnement moteur et frottements: 10 Kw - Puissance mécanique utile: 25 Kw - Inergie essence consommée: 100 Kw Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortissant de la description que va suivre, faite en regard des dessins annexés donnent à titre explicatif maie nullement limitatif, une forme de réalisation, avec des variantes. Sur ces dessins, telle que représentée sur la figure 1, cette invention prétend récupérer une partie asses importante de cette énergie dissipée par le radiateur et par les gas d'échappement. Cette récupération se fait par deux échangeurs thermiques en série dans lesquels circule un fluide ayant une température d'ébu- llition proche de la température ambiante ( fréon, butane etc...). Pour cela on supprime le radiateur et son vase d'expansion, habituels de la voiture, et on les remplace par le condenseur 2 tout en conservant son système de ventilation 20. La pompe de circulation habituelle du liquide de refroidissement doit être remplacée, si elle ne possède pas la qualité adéquate, par une autre pompe 27 ayant des caractéristiques appropriées pour travailler a pression et circula- tion constantes, et cela, par le moyen d'une conduite externe au moteur 3 entre l'espace 7, et, 6 a. Le premier échangeur est constitué par le moteur 3 lui-meme, pour cela, il est traversé par le fluide, se mélangeant ou non au Liquide de refroidissement et suivant son circuit depuis l'entrée 6 a N la sortie 6b pousse par la rompe à injection 5. Ce Ce fluide au contact du liquide de refroidissement chaud se vaporise dans le collecteur 7. Le liquide de refroidissement habituel peut être remplacé nar de l'huile, une petite partie de cette huile s'évaporant suivra le fluide, mélangée ou non à lui, et servira à lubrifier tous les éléments faisant partie du circuit hermétique en série.Cet échangeur récupère une partie importante de l'énergie calorifique du liquide de refroidissement7 le ramenant sa température normale par l'effet de refroidissement dd à la vaporisation du fluide,et cela d'après la loi physique d'évaporation et d'ébullition de élange des liquides suivant leur température et leur pression spécifique propre à chacun, remplaçant par cette fonction le radiateur habituel de la voiture. A la sortie de cet échangeur, nous aurons une quantité d'anergie accumulée par le fluide, qui sera inférieure, mais proche, des valeurs que j'ai données plus haut pour le radiateur : 35Kw/800. Ce fluide, ainsi préchauffé et à l'état de vapeur dans-la chambre de vaporisation 7, rentre dans le second échangeur 9 où il sera.surchauffé par les gaz d'échappement récupérant nne partie importante de cette énergie qui va s'additionner à la précédente, atteignant ainsi une température suffisante pour que l'énergie totale du fluide puisse actionner la turbine 12. Si nous transmettons l'énergie mécanique de cette turbine à l'axe du moteur 3 nous avons augmente la puissance de ce moteur pour une même consommation de combustible. la sortie de la turbine 12 le fluide rentre dans le condenseur 2 où il se refroidit à une temperature proche de la temperature ambiante, reprenant son état liquide et fermant ainsi le cycle thermodynamique. Ce condenseur 2 prend la place du radiateur de la voiture et profite de son système de ventilation 20. Ce cycle se renouvelle constamment par la poussée de la pompe à injection 5 qui reprend le fluide à l'état liquide du condenseur 2 et l'injecte dans le premier échangeur, par l'entrée 6s. Pour le cycle thermodynamique, nous avons à considérer deux températures qui détermineront le meilleur rendement;la température après surchauffe, qui doit être la plus haute possible et celle obtenue par le condenseur qui doit etre la plus basse possible. Ce raisonnement logique nous amène au problème suivant, concernant la température maxima: Si les puissances récupérées par chacun des deux échangeurs sont inégales ( si dans notre cas, elle est supérieure pour le premier échangeur constitué par le moteur 3 ) et si nous faisons passer tout le fluide venant du premier échangeur dans le second, nous aurons récupéré la somme des énergies, mais nous n'obtiendrons pas la température maxima désirée. Problème difficile à résoudre à première vue, maie heureusement d'une réalisation pratique très simple: on branche un tube 25 entre le point K et le point F déviant ainsi une partie du fluide vers le condenseur 2; un robinet 15 sur ce tube 25 permet le passage plus ou moins grand du fluide venant du premier échangeur vers le second, et cela ayant pour objet d'obtenir de la récupération du premier échangeur 2 juste la meilleure quantité d'énergie d'après sa température, nécessai- re, en rapport à la puissance et température obtenue dane le second échangeur 9 ayant comme résultat le meilleur rendement. Le règlage peut se faire en usine, moteur chaud, tournsnt à @@ vitesee normale de croisière, fixant une fois pour toutes le débit de ce robinet 15, à la position où l'on obtient la puissance maxima de la turbine, c'est- à - dire le meilleur rendement. Il découle de ceci que nous empruntons au premier échangeur oonetitué par le moteur 3 lui monel une quantité d'énergie égale à celle que nous pourrons récupérer du second. D'après des calculs aproximatifs du système de l'invention, on récupère une puissance théorique global a l'axe de la turbine 12 de l'ordre de 45% en rapport à l'énergie utile développée par le moteur 3. Bien sdr, Je ne tiens pas compte de nombreuses données, qui obligatoirement, doivent diminuer ce rendement de 45% que Je prétends obtenir, ces chiffres donnés comme exemple et non à titre limitatif. Mon exposé voudrait seulement faire comprendre l'invention, que Je crois crédible et réalisable au point de vue technique et commercial. Etant donné le prix actuel des carburants et surtout l'état des réserves pétrolières dans le monde dont l'épuisement progressif entrâî- nera de nouvelles augmentations, mon invention mérite une étude même si le gain d'énergie utile réel est de l'ordre de 30%. Il est à remarquer que cet économiseur n'empêche pas d'utiliser d'autres économiseurs déjà commercialisés ( aérodynamiques ou autres) même d'un système futur en prolongeant la détente de la combustion, sans poser de problème apparent. Il parait que des études sérieuses sont en train de se faire actuellement pour la réalisation d'un moteur en céramique en vue de meilleurs rendements. Si un jour ce moteur se réalise, il nécessitera un système de refroidissement ( j1igaore lequel ) si c'est par liquide, en l'équipant du système faisant objet de mon exposé, le rendement de celui-ci serait amélioré d'autant plus si on prétend donner à ce moteur des températures plus élevées. J'ai appelé l'invention: Economiseur de combustible et dans mon exposé je n'ai parlé que de récupération d'énergie. Je crois que si dans le meilleur des cas, un moteur de 6 C V équipé de l'invention, peut obtenir des caractéristiques semblables ( puissance, kilométrage, consommation ) à un moteur de 9 C V non quipé, l'économie est éviden- te, non seulement par le combustible, à cela il faut ajouter la diffé- rence de prix et de poids entre les deux moteurs que nous venons de citer. Fonctionnement: Au démarrage, moteur froid , le fluide à l'état liquide 1 se trouve dans le condenseur 2. Au moment où le moteur 3 atteint sa température normale de fonctionnement le thermostat 4 ferme le circuit électrique qui alimente la pompe à injection 5 qui fera pénétrer le fluide 1 dans le moteur 3 au travers du liquide de refroidissement formant ainsi le premier échangeur: 6 a pour l'entrée et, 6 b pour la sortie à l'espace 7 où il se vaporisera et, par ee fait refroidira le moteur Au démarrage du moteur et pendant le temps nécessaire pour amener le liquide de refroidissement à la température nécessaire pour vaporiser le fluide, l'échangeur 9 étant calorifugé risque des températures trop élevées, il est donc nécessaire de faire une déviation asservie du fluide entre le condenseur 2 et 9.Le rhéostat 4 ayant pour fonctions de maintenir le moteur à sa température normale de fonctionnement, et, en même temps alimenter la turbine 12, doit travailler entre deux températures minima et maxima qui doivent correspondre aux débits minimum et maximum demandés à la pompe à injection 5, le débit moyen correspondant au régime normal de croisière du moteur 3. Grâce au rhéostat 4, le régime de la turbine 12 ae trouvera donc adapté aux régimes du moteur 3o Le fluide ainsi préchauffé se vaporise dans la chambre d'évaporation 7 et pénètre au travers du tube 8 dans le second échangeur 9 par le tube 11. Les éléments 7, 8 et 11 sont calorifugés 17. Cet échangeur 9 entre les gaz d'échappement et le fluide est constitué d'une conduite métallique ( c ) de forme allongée ayant une section de forme aplatie ( rectangulaire ou elliptique par exemple ) calorifugé 17, à l'intérieur de cette conduite sont logés plusieurs tubes métalliques à ailettes internes formant un faisceau ( D ) à l'intérieur duquel circule le fluide.Ces tubes sont fixés et tenus à un certain écart entre eux par des tôles métalliques formant des ailettes 10 transversales de forme aplatie ( rectangulaires ou elliptiques par exemple ) s'adaptant à l'intérieur de la conduite ( c ). Ces tôles sont munies d'orifices pour le passage des gaz d'échappement. L'effet de choc de ces tôles au passage du gaz d'échappement ainsi que la particularité de pouvoir employer des tales avec des orifices plus ou moins grands ou plus ou moins nombreux permettent d'adapter cette partie de l'échangeur aux vitesses du gaz d'échappement ( plus grande à l'entrée 23 qu'à la sortie 24 ) et obtenir un échangeur à haut rendement de fabrication économique, léger, facile à adapter sous les véhicules à la place du silencieux auquel il se substitue. Par sa forme allongée et son emplacement, il permet aussi d'avoir une ou plusieurs ouvertures d'accès pour le nettoyage en cas d'encrassement. La vapeur ainsi surchauffée dans l'échangeur 9 pénètre dans la turbine 12 au travers du robinet 16 qui fait fonction d'accélérateur. Cette turbine 12 est couplée au moteur 3 par l'intermédiaire d'une liaison, par exemple la transmission mécanique 13, citée comme exemple et non à titre limitatif, ayant une des deux poulies ( ou pignons ) libre dans un sens de rotation de façon à éviter, au moment du démarrage du moteur 3, l'inertie de la turbine 12 qui se traduirait par une charge inutile du démarreur et de la batterie, et aussi, aux moments d'accélération brusques du moteur 3 à certains moments où la turbine pourrait se trouver sous- alimentée. Â la sortie de la turbine 12 la vapeur du fluide est amenée par le tube 14 au condenseur 2 où elle se liquéfie. Le robinet 15 est un réglage de débit de déviation d'une partie du fluide venant du premier échangeur vers le condenseur 2 permettant le meilleur rendement global. Débit fixé une fois pour toutes à la puissance maxima de la turbine 12. Le robinet 16 est l'accélérateur de la turbine 12 et pour raisons de comodité cela nous amène à la nécessité de commander cet accéléra- teur par la pédale d'accélération du véhicule. Pour mieux profiter de l'énergie récupérée, donc gratuite, le début du parcours de la pédale doit agir seulement sur l'accélérateur de la turbine 12 et, commencer seulement à agir sur l'accélérateur de moteur 3 une fois arrivé au maximum de l'aceéldration de la turbine 12 et cela suivant le parcours normal de la pédale. La valve noyé 18 laisse passer le fluide vers le condenseur 2 aux moments de fermeture du robinet d'accélération 16 de la turbine 12 ( par exemple à l'arrêt à un feu rouge où la turbine 12 est arrétée et le moteur 3 au ralenti ) permettant le refroidissement du moteur 3 tout en maintenant une certaine pression du fluide disponible au moment d'un nouveau départ. Le thermostat de sécurité 19 ferme un circuit électrique à partir d'une température anormalement élevée faisant fonctionner un voyant rouge ou une sonnerie pour prévenir, et au besoin, en cas de température critique, pouvant couper l'alimentation électrique du moteur 3.. Ensemble de ventilation du condenseur 20. Vers alimentation électrique 21 du contact du moteur 3 Alimentation électrique 22 vers voyant rouge sonnerie ou arr8t du moteur 3 Collecteur des gaz d'échappement 2S du moteur 3 Sortie des gaz d'échappement 24 du moteur 3 à l'atmosphère. Les flèches à l'intérieur de 3 indiquent la circulation du liquide de refroidissement de 6 a vers 6 b. Le condenseur 2 doit comporter: une ouverture de remplissage à fermeture hermétique, un robinet de vidange et un niveau indiquant la quantité du fluide, ces éléments ne sont pas représentés pour simplifier la figure. Système à pression constante 26. REVENDICAITONS 1.Economiseur de combustible par récupération d'une partie de l'énergie calorique dissipée, adaptable aux moteurs à combustion interne équipés d'un système de refroidissement par liquide et d'un collecteur des gaz d'échappement, le rit les monteurs de véhicule automobile en exemple et non @ titre limitatif, caractérisé par le fait qu'il comprend un échangeur thermique avec le liquide de refroidissement du moteur (3) entre (6a) et (6b), (dessin en annexe) unc chambre (e vaporisation (7), un ichnngeur thermique (9) avec les gaz d'échappement, une turbine (I2) pour transformer la poussée de In vapeur d'un fluide en énergie meca- nique, un condenseur de fluide (2), une pompe i injection (5), un robinet d'accélération (16), le tout formant un ensemble ber- métique, en série au moyen de tuyaux , dans lequel circule le fluide (1),cet ensemble est réglé et protégé au point de vue température et sécurité par@un thermostat (4), un robinet de réglage (15), un thermostat (T9) et une valve noyée (I8) ; une liaison mécanique couple la turbine (1o) au moteur (3). 2. Economiseur de combustible sel on la revendication I caractérisé en ce que le fluide (1) traverse le moteur entre (6a) et (6b), se mélangeant ou non avec le liquide de refroidissement formant ainsi un échangeur thermique par l'évaporation du fluide. 3. Economiseur de combustible selon la revendication I et 2 caractérisé en ce que le@liquide de refroidissement habituel est remplacé par de l'huile, une petite partie de cette huile s'éva- parant suivra le fluide, mélangée @ ou non n à lui, et servira 1 lu- brifier tous les éléments faisant partie du @irr@uit hermétique en série. 1.Economiseur de combustible selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur thermique (9) entre les gaz d'échappement et le fluide est constitué d'une conduite (C) de forme allo gée calorifugée (17); à l'intérieur de cette conduite (C) sont l@gés plusieurs tubes à @ilettes internes et externes formant un faisceau (D) à l'intérieur duquel cir@ule le fluide. Par ces carac téristiques de forme cet échangeur (@) remplace le silencieux. 5. Economiseur de combustible selon la revendication I caractérisé en ce qutil comprend une liaison mécanique entre la turbine (I2) et le moteur a combustion interne (3) avec la parti cularité du sens unique du couple par le moyen consEituant cette liaison, permettant sa rotation libre en rapport à son axe dans un sens,et non pas dans le sens opposé,et cela,pour permettre à la turbine (12) de pouvoir entraîner le moteur (3) et eviter que ce dernier entraîne la turbine (12). 6. Economiseur de combustible selon la revendication I carac térise en ce que le robinet d'accélération (I6) de la burbine (I2) est asservi par la pédale de lVaccelerateur du vehicule mais non synchronisé; le début du parcours de la pedale doit agir uniquement sur l'accelerateur de la turbine (I2) et commencer seulement à agir sur l'accelerateur du moteur (3),une fois arrive au maximum de 7'accélération de la turbine (I2). 7. Economiseur de combustible selon les revendications I,2 et 3 caractrise an ce que le moyen permettant de maintenir la température normale du liquide de refroidissement du moteur (3) est un thermostat (4), baigné dans ce liquide qui commande le debit de la pompe d'injection (5) du fluide (T). 8. Economiseur de combustible selon ltensemble des revendications I à 7 caracterisé en ce qu'un moyen de sécurité est obtenu par un thermostat (I9) baigné dans le liquide de refroidissement Sil commande un signal lumineux ou autre, si la température devient excessive et, si nécessaire, en cas de température critique,coupe le contact du moteur (3). 9.Economiseur de combustible selon l'ensemble des revendications I à 8 caractérisé en ce que le moyen de réglage du rendement total,d'après les puissances et températures récupérées dans chacun des échangeurs, est obtenu par le branchement d'un tube (25) qui relie le tuyau-(8) au condenseur (2) du point (E) au point (F); ce tube est garni d'un robinet (I5) qui aura la fonction de règlage. IO.Economiseur de combustible selon l'ensemble des revendications I à 9 caractérisé en ce que le condenseur (2) faisant fonction de radiateur remplace celui du véhicule et profite de son système de ventilation (20). II.Economiseur de ccmbustible selon des revendications I à IO caracterise en ce que l'on utilise une turbine pour transformer l'énergie du fluide en énergie mécanique. I2.Economiseur de combustible selon l'ensemble des revendications I à II caractérise en ce que la valve noyée (18) laisse passer le fluide, non employé par la turbine (I2), vers le condenseur (2) à partir d'lune certaine pression, permettant de ce fait, de maintenir l'écoulement nécessaire du fluide dans le liquide de refroidissement du moteur (3) ayant pour objet de le maintenir à sa température normale. I3.Economiseur de combustible selon l'ensemble des revendications I à I2 caractérisé en ce qu une variante est obtenue, au regard de la figure 2, par le fait d'adapter un échangeur (32) à la conduite externe de circulation du liquide de refroidissement du moteur (3) entre ce liquide et le fluide.Dans cette variante le fluide ne traverse pas le moteur (3).