Brevet FR2502700A1 — publié le 19821001

Dispositif Pour former un mélange de gaz et d'eau Pour un moteur è combustion interne. la présente invention concerne un dispositif pour former un mélange de gaz et d'eau à haute température et à haute pression, en mélangeant de l'eau et du carburant dans un carburateur et en introduisant le mélange dans un système chauffant qui est situé dans une chambre d'échappement prévue dans le dispositif. Jusqu'ici de nombreuses propositions ont été faites pour améliorer le rendement de moteurs à combustion interne en introduisant de l'eau dans des systèmes d'aspiration pour améliorer les conditions de combustion dans les cylindres. Par exemple, le brevet américain n 4 301 453 propose un dispositif dans lequel un mélange de trois éléments, à savoir de la vapeur d'eau, du carburant et de l'air, est chauffé de manière que ce mélange puisse être complètement brillé dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Cependant ce dispositif ne donne pas de résultats satisfaisants. la présente invention se propose d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur. Par conséquent, la présente invention concerne principalement un dispositif pour former un mélange de gas et d'eau pour un moteur à combustion interne, dans lequel des orifices d'aspiration et des orifices d'échappement sont prévus dans une chambre d'échappement, un système chauffant comportant plusieurs tubes chauffants est logé dans ladite chambre, et les orifices d'aspiration sont munis d'un tube d'alimentation en air atmosphérique. Suivant 1' invention, un carburateur classique est monté sur le dispositif de l'invention, un injecteur d'eau est dirigé dans le carburateur, et les tubes d'aspiration et d'échappement classiques sont enlevés et remplacés par le dispositif suivant l'invention. Le système chauffant peut se présenter sous différentes formes, par exemple la forme d'une boita, d'une échelle, une forme cintrée ou une forme rectiligne. La chambre d'échappement possède un volume prédéterminé. Cette chambre comporte un système chauffant qui est chauffé par la chaleur d' échappement. De l'eau est introduite dans le système chauffant conjointement avec le mélange d'air et de carburant, cette eau se séparant en hydrogène et en oxygène. Ces gaz détendus donnent un mélange d'eau et de gaz à température et à pression élevées. Ce mélange de gaz permet de nettement améliorer les conditions de combustion et le rendement thermique. Par conséquent, la consommation de carburant et la formation de gaz toxiques peuvent être fortement réduite. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plueieure modes de réalisation préférés mais non limitatifs représentés aux dessins annexée sur lesquels les figures 1 à 3 représentent un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 1 étant une vue, en coupe, par deesue qui montre la constitution des orifices d'asspiration et dtéchappement du dispositif, la figure 2 une vue en coupe transversale suivant la ligne A- de la figure 1, et la figure 3 une vue en coupe suivant la ligne B-3 de la figure 2 ;; les figures 4 et 5 représentent un second mode de réalisation de l'intention, la figure 4 étant une vue, en coupe, de l'avant du dispositif, et la figure 5 une vue en coupe transversale suivant la ligne C-C de la figure 4 ; les figures 6 et 7 représentent un troisième mode de réalisation de l'invention, la figure 6 étant une vue, en coupe, de l'avant du dispositif, et la figure 7 une vue en coupe transversale suivant la ligne D;;D de la figure 6 la figure 8 est une vue en coupe représentant la constitution partielle d'un autre mode de réalisation du dispositif les figures 9 et 10 sont des diagrammes représentant la relation entre les distances parcourues par unité de carburant utilisé dans une voiture existante et dans une voiture guipée du dispositif suivant 1' invention les figures 11, 12, 13 et 14 sont des diagrammes représentant la distance parcourue par unité de carburant en fonction de la quantité d'eau injectée les figures 15, 16, 17 et 18 sont des diagrammes représentant la relation entre les temps d'allumage initiaux et les distances parcourues par unité de carburant ; et les figures 19, 20, 21 et 22 sont des diagrammes pour comparer la formation d'oxyde de carbone en fonction de la vitesse de la voiture. En se référant maintenant aux figures 1 à 3, le dispositif suivant l'invention comporte des orifices d'aspiration 1. et la, des orifices d'échappement 2 et 2a, et une chambre d'échappement 3 dans laquelle s'accumule la ohaleur d'échappement. La chambre d'échappement 3 est conçus de manière à posséder le volume souhaité. Cette chambre est divisée en un compartiment central a et deux compartiments latéraux b et b1 , par des parois 4 et 4a. du fond du compartiment central a, comme représenté sur la figure 3, est prévu un orifice de ventilation 5 pour évacuer vers l'extérieur les gaz d'échappement de'ce compartiment dans la partie inférieure des parois 4 et 4a sont définis des trajets d'échappement 6 et 6a.Au niveau de la partie supérieure de la chambre 3 eet prévu un convercle 8 sur lequel est monté un carburateur classique 7, comme représenté sur la figure 1. Le carburateur 7 est muni d'un injecteur d'eau 9 par l'intermédiaire duquel de l'eau est pompée à partir du réservoir d'eau non représenté ; la quantité d'eau fournie est commandée par un régulateur.Dans les compartiments central et latéraux a, b, et b1 est prévu un système chauffant H du type à tubulure, l'élément chauffant 10 situé dans le compartiment central a se présentant sous la forme d'une botte fermée, et les éléments chauffants 11 et 11a situés dans les compartiments latéraux se présentant sous la forme d'une bote avec des ouvertures 12 et 12a ; lesdits éléments chauffants communiquent avec l'élément chauffant 10 par les trajets ou passages 13 et 13a. Dans l'élément chauffant oentral 10, plusieurs tubes chauffants 14, dans lesquels circule la chaleur d'échappement pénétrant dans l'orifice d'échappement central 2, sont agencés sous une forme alvéoléire. Dans les compartiments latéraux 11 et 11a, plusieurs tubes chauffants 15 et 15a sont agencés horizontalement pour arriver aux ouvertures 12 et 12a de manière que la chaleur d'échappement empruntant les orifices d'échappement 2a et 2b puisse y pénétrer, et qu'une partie de la chaleur d!échappement puisse chauffer toutes les parois extérieures des éléments chauffants latéraux 11 et ila. Les orifices d'échappement 1 et la sont respectivement munis de tubes 16 et 16a d'alimentation en air atmosphérique. La quantité d'air introduite est commandée par un régulateur 18 dans un tube 17 d'injection d'air atmosphérique qui conduit directement l'air dans les cylindres. Dans la mise en pratique du premier mode de réalisation mentionné ci-dessus, les tuyaux d'aspiration et d'échappement d'un moteur à essence classique sont enlevés et remplacés par le dispositif suivant l'invention. Au démarrage, le moteur est entraîné de façon classique avec un mélange de carburant et d'air obtenu en introduisant un carburant possédant un iaible point d'évaporation (essence), et, lorsque le système chauffant H est.porté à une température souhaitée, la quantité de carburant introduite est réduite et une quantité prédéterminée d'eau est injectée dans le carburateur 7 par l'injecteur d'eau 9. À ce moment, l'eau circule, conjointement avec les gaz produits, dans l'élément chauffant central 10 chauffé par la chaleur d'échappement, et entre en contact avec la surface extérieure du type chauffant 14. Par conséquent, l'eau est vaporisée et fractionnée une première fois et la vapeur d'eau est introduite dans les éléments chauffants latéraux 11 et 11a par les trajets latéraux 13 et 13a, puis y est vaporisée et détendue.Pendant son passage dans le cylindre de combustion, la vapeur d'eau est vaporisée et détendue une troisième fois par les él & nts chauffants 15 et 15a pour fournir un mélange de gaz et d'eau aux température et pression élevées.Lorsque ce mélange de gaz est introduit dans le cylindre, l'air correspondant à la perte d' oxygène due à la détente est fourni par les tubes 16 et 16a d'alimentation en air atmosphérique, de sorte qu'on peut obtenir un taux de compression élevé lors de la course de compression et un rendement énergétique élevé lors de la course de combustion. Par conséquent, les quantités de carburant consommées et de gaz d'échappement évacués peuvent être fortement réduites. D'un autre côté, étant donné que les gaz d'échappement contiennent de l'eau, l'air sec peut être humidifié. Le dispositif suivant l'invention a été monté sur le moteur d'un véhicule à moteur (fabriqué par Saehan Motors Company sous le nomlcommeroial de "GEKINI" 1493 cm3 ; de 73 ps/5 à 400 tourss/mn) et a été essayé comme rapporté ci-après. (1) Essai doux la consommation de carburant (essence) Le moteur du véhicule d'essai a été utilisé avec un dynamomètre de transmission à l'aide duquel on a déterminé les poids qui correspondent à l'inertie et les charges routières. Lorsque le moteur a été entraîné à une vitesse constante correspondant à 20 km/h (deuxième rapport de la botte de vites), 40 km/h (troisième rapport de la botte de vitesse), et 80 km/h (quatrième rapport de la botte de vitesse), la distance parcourue a été déterminée pour la consommation de 0,504 1 de carburant. Pour l'essai de rotation à vide, ou témoin, on a déterminé le temps nécessaire pour la consommation de 0,099 1 de carburant à la vitesse de rotation à vide, ou témoin, de 760 tours/mn. Tout en maintenant la quantité d'eau injectée à 11,4 cm /mn, et en changeant l'instant d'allumage initial pour lui donner les valeurs de 20, 5 , 100, 15 , 200 et 250 BTDC, on a déterminé les distances parcourues pour 0,099 l de carburant à une vitesse constante de 20 km/h, et pour 0,504 1 de carburant à des vitesses constantes de 40, 60 et 80 km/h. (1)-1 Consommation de carburant Le tableau I suivant et la figure 9 illustrent une comparaison entre les distances parcourues par unité de volume de carburant à des vitesses constants de 20, 40, 60 et 80 km/h sur une route plane avec le moteur (A) de la voiture existante et le moteur (B) équipé du dispositif suivant l'invention.Le carburant utilisé était de l'essence TABLEAU I Distance parcourue (kmll) Vitesse Moteur À Moteur 3 (km/h) (km/l) Avec injection d'eau Sans injection (conditions optimales) d'eau 20 8,7 10,8 10,8 40 14,8 17,3 16,3 60 12,5 15,1 14,8 80 10,4 13,2 rotation à vide 1730 s/l 4100 s/l 3360 s/l (1)-2 Distance arcourue Le tableau II suivant et les figures 11, 12, 13 et 14 représentent la distance parcourue par unité de volume de carburant en fonction de la quantité d'eau injectée à des vitesses de rotation à vide constantes de 20, 40, 60 et 80 km/h. Suivant les données recueillies, la quantité d'eau injectée résultant en une distance parcourue optimale par unité de carburant est de O cm3/mn à 20 km/h ; 15 cm3/mn à 40 km/h ; 30 cm3/mn à 60 km/h et 90 cm3/mn à 80 km/h. On remarquera que,malgré la rotation à vide, la quantité d'eau consommée augmente lorsque la vitesse augmente. TABLEAU II Distance parcourue (km/l) n de la buse Vitesse (km/h) Rotation à vide d'injection 20 40 60 80 (s/î) d'eau - 10,8 16,3 14,8 - 3360 24B - - - - 4100 22A 10,7 16,7, - - 23B 0,6 16,5 14t8 12,6 3750 22B - 17,3 - - 4090 23B - 17,2 - - - 21A - - 15,1 - - 20t 10,0 16,1 15,1 12,8 4070 - 19A - - 14,8 12,7 18A - 15,6 14,7 13,2 - 17A - - 14,4 12,8 Le tableau III suivant et les figures 16, 17 et 18 représentent les distances parcourues par unité de volume de carburant pour le moteur équipé du dispositif suivant l'invention, en fonction de la variation de l'instant d'allumage initial pour chaque vitesse lorsque la quantité d'eau injectée est de 11,4 cm3/mn. La distance parcourue optimale a été obtenue avec des périodes d'allumage initiales de 1503TDC à 20 et 40 km/h, 20 BTDC à 60 km/h, et 10 BTDC à 80 km/h. TÀ3IAU III Distance Parcourue (km/l) Période d'allumage Vitesse (km/h) initiale 20 40 60 80 20 3TDC 10,61 16,37 14,27 12,58 50 BTDC 10,91 16,39 14,46 12,78 100 BTDp 10,91 16,96 14,74 12,86 15 BTDC 11,11 17,14 14,94 12,82 200 BTDC 10,40 17,10 15,38 25 BTDC - - 15,38 (2) Analyse des gaz d'échappement. Pour le moteur de la voiture existante, on a utilisé les mêmes conditions de fonctionnement que celle de l'essai (1) ci-dessus, y compris les vitesses constantes de 20, 40, 60 et 80 km/h, et la rotation à vide. Le moteur essayé a été entraîné pendant cinq minutes jusqu'à ce que les conditions soient stables, puis on a détecté les composants des gaz d'échappement tels que CO, C02, TEC et NO. Lorsque le dispositif suivant l'invention était monté sur le moteur, on a injecté une quantité d'eau suffisante pour que la distance parcourue par unité de volume de carburant ait une valeur maximale pour chacune dee vitesses normales, et on a analysé les gaz d'échappement produits à ce moment, sur la base des données obtenues d'après l'essai(1) ci-dessu. Le tableau IV suivant et les figures 19, 20, 21 et 22 représentent l'analyse des gaz d'échappement pour les vitesses de 20, 40, 60 et 80 km/h. D'après les données on remarquera que la quantité de gaz CO décroSt remarquablement d'environ 20 à 50% par rapport à celle obtenue avec le moteur existant, tandis que de façon générale les quantités de THC et NO augmentent fortement. TABLEAU IV Vitesse Gaz d'échappement N de la (km/h) CO(ffi) C02 THC(ppm) NO(ppm) buse Voiture existante 20 0,25 12,3 2350 156 - 40 0,12 12,3 2050 740 60 0,15 11,5 700 720 - 80 0,10 12,2 250 780 Voiture avec 20 0,1, 10,4 11000 1000 le dispositif 40 0,09 12,2 1800 1900 suivant l'invention 60 0,11 11,5 1620 1500 80 0,06 13,1 2000 1050 - De la même manière, on peut déterminer la distance parcourue par unité de volume de carburant et analyser les gaz d'échappement pour un moteur de voiture de 1492 cm3 (poids de la voiture 1195 kg). La distance parcourue par la voiture équipée du dispositif suivant l'invention aagmente de 24,1* à 20 km/h et de 16,9% à 40 km/h. Pour les gaz d'échappement, la quantité de CO décrott de 20 à 50%, mais les quantités de THC et NO augmentent. Les résultats ci-dessus ont été obtenus lorsque la puissance nécessaire pour une vitesse constante sur une route plane est inférieure à 10 ps et par conséquent on n'a pas pris en compte la puissance nécessaire pour obtenir une accélération correcte, le rapport maximum de vitesse et des facteurs semblables. En utilisant le dispositif suivant 1' invention, il a été possible d'utiliser des carburants de qualité inférieure possédant un point d'allumage moins bon, tels que le kérosène, le carburant diesel, un gaz de pétrole liquéfié, etc. Les figures 4 et 5 représentent un autre mode de réalisation de l'invention. Sur ces figures, les éléments identiques sont désignés par les mêmes références que sur les figures précédentes. Suivant ce mode de réalisation, le dispositif selon l'invention comporte également des orifices d'aspiration 1 et la, des orifices d'échappement 2, 2a et 2b et une chambre d'échappement 3 qui communique avec les orifices d'aspiration et d'échappement. Un orifice de ventilation 5 est prévu au niveau de la partie inférieure de la chambre, tandis qu'au niveau de la partie supérieure de la chambre est prévu un couvercle 8 sur lequel est monté un carburateur 7 avec un injecteur d'eau 9.Dans la chambre 3 est prévu un système chauffant H en forme d'échelle, dans lequel un grand nombre de petits tuyaux 14 possédant un diamètre intérieur de 11 mm sont reliés verticalement entre eux par deux tuyaux de dimensions plus importantes 1 0a et 1 Ob possédant un diamètre intérieur de 35 mm. Le tuyau 10a communique aveo le carburateur 7 et, des deux côtés de l'autre tuyau 10b, sont formées des ouvertures 12 et 12a de manière à établir une communication avec 1.s deux orifices' d'asplration 1 et la.Par conséquent, la chaleur sortant dds orifices d' échappement 2, 2 et 2b pénètre dans le gros tuyau 10a, l'eau est chauffée et vaporisée une première fois, puis est distribuée dans les petits tuyaux 14a qui communiquent verticalement et est vaporisée une seconde fois, Ensuite, la vapeur d'eau est détendue sous forme de fines particules dans le gros tuyau 10b. Le mélange de gaz et de iine vapeur d'eau ainsi détendu pénètre directement dans les cylindres, par les deux orifices d'aspiration 1 et la, où il reçoit l'oxygène nécessaire à partir des tubes ouverts 16 et 16a d'alimentation en air. Les figures 6 et 7 représentent un troisième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, plus simple que les premier et second modes de réalisation. Dans ce mode de réalisation, la structure de base du dispositif suivant l'invention est la meme que celle des. modes de réalisation précédents. Dans les orifices d'échappement 1 et la de la chambre d'échappement 3 est prévu un système chauffant H de forme cintrée, avec lequel communiquent les ouvertures 12 et 12a et sur lequel sont montés des tubes chauffants 14k, 15c et 15d, qui ont un diamètre extérieur de 25 mm et dans lesquels circule la chaleur provenant des orifices d'échappement 2, 2a et 2b. À une extrémité de chacun des tubes 14b, 15c et 15d sont ménagées de petites ouvertures 14b', 15c' et 15d' possédant un diamètre de 15 mm, de manière que l'ouverture 14k' du tube chauffant central 14b puisse outre positionné dans la direction opposée à ltorifice d'échappement central 2 et que les ouvertures 15c' et 15d' des deux tubes chauffants latéraux 15c et 15d puissent 8tre tournées vers le côté intérieur du système chauffant, en ayant accès aux orifices d'aspiration 1 et la. Par conséquent, une partie de la chaleur d'échappe- ment provenant de l'orifice d'échappement central 2 chauffe la surface extérieure de la partie centrale du système chauffant H et paase dans les grandes ouvertures du tube chauffant central 14b dans lequel 8'accumule la chaleur, puis chauffe le tube 14b. Simultanément, la chaleur est répartie uniformément dans la chambre d'échappement 3 par les petites ouvertures 14b'. Le chaleur provenant des orifices d'échappement latéraux 2a et 2b pénètre dans la chambre 3 et une partie de cette chaleur chauffe tout le système chauffant H et 'pénètre également dans les grandes ouvertures des tubes chauffants 15c et 15d, dans lesquelles s'accumule la chaleur, et chauffe les tubes 15c et 15d. Simultanément, la chaleur est évacuée par les petites ouvertures 15c' et 15d' en direction de la paroi latérale centrale du système chauffant H et est répartie uniformément dans la chambre 3. Par conséquent, lorsque l'eau injectée par l'injecteur 9 arrive dans la moitié supérieure du système chauffant H en même temps que le carburant provenant du carburateur 7, l'eau frappe la surface supérieure du tube chauffant central 14b (voir la flèche sur la figure 6) et est vaporisée une première fois. Ensuite, la vapeur d'eau est répartie dans le système chauffant H et est vaporisée une seconde fois en fines particules. La vapeur d'eau se présentant sous la forme de fines particules entre en contact avec les tubes chauffants latéraux 15c et 15d et est vaporisée une troisième fois, puis détendue sous forme de particules encore plus fines. Le mélange de gaz et d'eau ainsi finement divisée passe, par les orifices d'aspiration latéraux 1 et la, dans les cylindres où l'oxygène perdu par suite de la détente est remplacé à partir des tubes 16 et 16a d'alimentation en air atmosphérique. La figure 8 représente un quatrième mode de réalisation de l'invention. Ce iode de réalisation est encore plus simple que le troisième mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, on utilise les mimes tubes chauffants que ceux représentés sur les figures 6 et 7 et l'air atmosphérique peut être fourni en plus grande quantité. Une chambre d'échappement 3 est définie d'un côté du moteur E. Des orifices d'échappement 2, 2a, 2b et 2c sont formés dans cette chambre 3 et il est prévu un système chauffant H, dans lequel les tubes chauffants 15e, 15i, 15g, et 15h sont identiques à ceux utilisés dans le troisième mode de réalisation. À une extrémité latérale est prévu un carburateur 7 avec un injecteur d'eau 9, tandis qu'à l'autre extrémité latérale est prévue une conduite P pour le mélange de gaz, dont l'autre extrémité est couplée à une conduite de circulation d'air Pb du filtre à air Àc fixé sur la conduite de distribution d'air Pa de l'autre côté du moteur E.Chacun des orifices d'aspiration lb, 1c, ld et le prévu dans la conduite Pa est disposé en face des orifices d'échappement 2, 2a, 2b et 2c, et des tubes 16, l6a, 16b et 16c distincts d'alimentation en air atmosphérique sont également prévus. Par conséquent, loraque l'eau provenant de l'injecteur d'eau 9 est introduite dans le système chauffant en même temps que le carburant provenant du carburateur, elle entre en contact avec le premier tube chauffant 95e et est vaporisée. Ensuite, l'eau entre en contact avec le tube chauffant 15i puis 1 et elle est vaporisée et détendue, ce qui fournit un'mélange d'eau et de gaz à température et pression élevées. Le mélange de gaz et d'eau, ainsi que l'air purifié amené par la conduite P à partir du filtre à air dc, pénètrent dans les cylindres par la conduite Pa, à partir de chacun des orifices d'aspiration lb, 1c, Id et le. Vu les caractéristiques remarquablement avantageuses de l'invention, on comprendra que l'invention contribue de façon remarquable à une économie de carburant de n' importe quel type et à une réduction de la formation de gaz toxiques. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDI CAT tONS 1. Dispositif pour former un mélange de gaz et d'eau pour un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'échappement (3) divisée en un compartiment central (a) et deux compartiments latéraux (b, b1), ladite chambre (3) étant munie d'au moins deux orifices d'aspiration (1, la), d'au moins trois orifices d'échappement (2, 2a), d'au moins trois orifices d'échappement (2, 2a) et d'un orifice de ventilation ; un carburateur (7) avec un injecteur d'eau pour amener de l'eau dans ledit carburateur à partir d'une source d'eau prévue dans ledit moteur ; un système chauffant (H), qui comporte au moins un tube chauffant central (10) et plusieurs tubes chauffants latéraux (11, I la) disposés dans chacun desdites compartiments ; et'un tube (16, I6a) d'alimentation en air atmos- sphérique relié aux orifices d'aspiration. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système chauffant comporte deux gros tubes chauffants et plusieurs petits tubes chauffants, lesdits petits tubes chauffants étant réunis verticalement entre eux entre lesdits gros tubes chauffante. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les gros tubes chauffants sont agencés en forme d'échelle, une extrémité d'un de ces tubes étant couplée au carburateur et une extrémité de l'autre tube étant munie d'ouvertures pour communiquer avec les orifices d'aspiration. 4. Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre d'échappement contient un système chauffant de forme cintrée comportant deux ouvertures au niveau des deux orifices d'échappement latéraux, ledit système chauffant comportant trois gros tubes chauffants par l'intermédiaire desquels circule la chaleur provenant des orifices d'échappement et des tubes chauffants possédant de petites ouvertures à une de leurs extrémités, de sorte que la petite ouverture du tube central parmi lesdits tubes peut être positionnée dans une direction opposée aux orifices d'échappement centraux et que les deux tubes chauffants latéraux peuvent être opposés au côté intérieur desdites petites ouvertures en ayant accès auxdits orifices d'aspiration. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre d'échappement comporte des orifices d'échappement uniquement à une extrémité et des tubes chauffants au niveau de la ligne centrale desdits orifices d'échappement, et en ce qu'une conduite est prévue pour amener le mélange de gaz dans le moteur à partir de ladite chambre, ladite conduite comprenant une conduite de distribution de l'air aspiré, un filtre à air et une conduite d'introduction d'air.