Brevet FR2672638A1 — publié le 19920814

- Moteur à combustion à hydrogène L'invention concerne un moteur à combustion à hydrogène comprenant un piston principal qui se déplace dans un cylindre principal selon la direction de sa course entre un point mort haut ou supérieur, en formant une chambre minimale avec le cylindre principal, et un point mort bas ou inférieur et exécute de ce fait une course d'aspiration, une course de compression, une course de combustion et une course d'éjection De tels moteurs à combustion à hydrogène sont connus Ils peuvent être entraînés de façons diverses Une première possibilité consiste en la formation externe du mélange avec de l'hydrogène, qui prévoit que la formation du mélange hydrogène/air s'effectue à l'extérieur de la chambre du cylindre et que ce mélange est ensuite aspiré de la même manière que pour un moteur à combustion normal à combustibles fossiles. Une autre possibilité consiste en la formation interne du mélange qui prévoit l'injection directe de l'hydrogène dans la chambre du cylindre principal, en distinguant entre une injection précoce, c'est-à-dire au début de la course de compression, et une injection tardive, c'est-à- dire une injection s'effectuant sensiblement à la fin de la course de compression. Aussi bien avec la formation externe du mélange avec de l'hydrogène que la formation interne du mélange avec injection précoce et contrairement aux moteurs à combustion pour combustibles fossiles, 2- on constate avec les moteurs à combustion pour hydrogène des pertes de puissance dans la région de la pleine charge du fait d'un allumage précoce et incontrôlé, car le mélange hydrogène/air s'échauffe dans les positions chaudes du moteur et s'allume ainsi prématurément. On peut il est vrai éviter cet allumage précoce non contrôlé par une formation interne du mélange avec une injection tardive d'hydrogène, car le mélange hydrogène/air qui est susceptible de s'allumer n'apparatt qu'à la fin de la course de compression. La formation interne du mélange avec injection tardive a cependant pour inconvénient qu'il est très difficile de rendre suffisamment homogène le mélange destiné à la combustion, ce qui fait qu'il y a toujours des défauts d'homogénéité locaux et en conséquence une émission considérable d'oxyde d'azote En outre, pour les vitesses de rotation habituelles des moteurs à combustion, des problèmes se posent pour l'injection, la distribution et l'allumage du volume d'hydrogène nécessaire dans la chambre de combustion du fait de la courte durée disponible Ceci exige, par exemple dans la zone de précharge, des pressions d'injection de l'ordre de grandeur de 100 à 200 bars en raison du volume plus important de l'hydrogène par comparaison avec les combustibles fossiles de même teneur en énergie. L'invention a donc pour but de perfectionner un tel moteur à combustion à hydrogène de manière à éviter les problèmes de l'allumage prématuré sans que soit nécessaire une formation interne du mélange avec une injection tardive. Ce but est atteint selon l'invention avec un moteur à combustion du type décrit dans le préambule par le fait que sont prévus un piston auxiliaire et un cylindre auxiliaire, qui peuvent se déplacer l'un par rapport à l'autre en phase et en synchronisme avec le piston principal et le cylindre principal, que le piston auxiliaire et le cylindre auxiliaire délimitent ensemble une chambre de cylindre auxiliaire qui varie entre une chambre minimale au point mort supérieur et une chambre maximale au point mort inférieur, que la chambre minimale du cylindre auxiliaire est en liaison par un canal avec la chambre minimale du cylindre principal, et que l'hydrogène peut être injecté dans la chambre du cylindre auxiliaire au cours de la course d'aspiration. -3- L'avantage de la solution selon l'invention est que, du fait de l'injection de l'hydrogène dans la chambre du cylindre principal pendant la course d'aspiration, une pression relativement faible est d'abord nécessaire pour son injection et une durée relativement longue reste disponible, que l'hydrogène est comprimé dans la chambre du cylindre auxiliaire pendant la course de compression et s'écoule pendant cette course de compression par le canal vers la chambre du cylindre principal, du fait de l'arrivée par le canal provoque des turbulences dans la chambre du cylindre principal qui assurent un bon mélange de l'hydrogène avec l'air, et qu'au début de la course de compression, le mélange hydrogène/air dans la chambre du cylindre principal n'est pas encore susceptible de s'allumer et ne présente cette possibilité que pratiquement immédiatement avant que soit atteint le point mort supérieur, car ce n'est qu'à ce moment que l'hydrogène est refoulé pratiquement en totalité depuis la chambre du cylindre auxiliaire vers la chambre du cylindre principal. Ainsi, la solution selon l'invention combine les avantages de la formation interne du mélange avec injection précoce en tenant compte de la durée disponible pour l'injection de l'hydrogène et de la faible pression nécessaire, et les avantages de la formation interne du mélange avec injection tardive car on évite un allumage prématuré du fait qu'un mélange susceptible de s'allumer dans la chambre du cylindre principal n'est obtenu pratiquement que juste avant que soit atteint le point mort supérieur. D'un point de vue purement théorique, le cylindre auxiliaire et le piston auxiliaire peuvent être disposés indépendamment du piston principal et du cylindre principal et on peut prévoir un canal de passage entre les deux Mais il est particulièrement avantageux que le canal soit formé au moins en partie par un interstice entre le piston auxiliaire et le cylindre auxiliaire, ce qui rend en outre possible, du fait du mouvement relatif du piston auxiliaire et du cylindre auxiliaire, la commande de la vitesse de l'écoulement entre la chambre du cylindre auxiliaire et la chambre du cylindre principal. On peut parvenir d'une façon particulièrement facile à cette possibilité de commande par le fait que la dimension radiale la plus -4- faible de l'interstice entre le piston auxiliaire et le cylindre auxiliaire varie entre le point mort supérieur et le point mort inférieur. Dans les modes de réalisation décrits jusqu'ici et comme déjà mentionné -, le cylindre auxiliaire et le piston auxiliaire sont disposés indépendamment du piston principal et du cylindre principal. Mais il est particulièrement avantageux que le piston auxiliaire et le cylindre auxiliaire se déplacent l'un par rapport à l'autre selon la direction de la course du piston principal, c'est-à-dire que s'effectue un mouvement entre ces deux éléments selon la même direction que le piston principal. Une réalisation particulièrement simple sur lé plan constructif du moteur à combustion selon l'invention prévoit que le piston auxiliaire et le cylindre auxiliaire parcourent l'un par rapport à l'autre la même distance que le piston principal Notamment dans le cas qui vient d'être mentionné, le couplage synchrone du mouvement du piston auxiliaire par rapport au cylindre auxiliaire avec le piston principal peut être obtenu en accouplant le piston auxiliaire mobile ou le cylindre auxiliaire au piston principal par l'intermédiaire d'un organe de liaison. Cet organe de liaison peut être constitué de façons diverses Par exemple, il est possible de prévoir une tige d'accouplement pour constituer cet organe d'accouplement. Dans le cas le plus simple, on prévoit cependant que le cylindre auxiliaire fixe ou le piston auxiliaire est relié fermement au cylindre principal et que le piston auxiliaire mobile ou le cylindre auxiliaire est maintenu sur le piston principal Dans ce cas, les deux éléments mobiles sont maintenus rigidement l'un sur l'autre, ce qui rend possible d'une façon très simple un mouvement synchrone de ces derniers. Pour compenser le jeu et notamment pour être certain que l'interstice entre le cylindre auxiliaire et le piston auxiliaire puisse s'ajuster de lui-meme, il est prévu que le piston auxiliaire ou le cylindre auxiliaire est maintenu sur le piston principal avec un certain jeu transversal par rapport à la direction de la course, ce qui -5- fait que les deux éléments qui se déplacent peuvent effectuer également un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre transversalement à la direction de la course, pour réaliser la compensation du jeu. Dans le cas le plus simple, il est prévu que le piston auxiliaire s'étend sur une partie de fond du piston principal. Dans ce cas, il est en outre prévu que le cylindre auxiliaire s'étend en partant de la chambre minimale du cylindre principal. En particulier quand un mouvement relatif du cylindre auxiliaire et du piston auxiliaire doit s'effectuer selon la direction de la course, on prévoit que le cylindre auxiliaire s'étend selon la direction de la course du piston principal et forme de préférence un prolongement du cylindre principal. En outre un mode de réalisation particulièrement avantageux du moteur à combustion selon l'invention est celui dans lequel ce dernier est muni d'un injecteur principal débouchant dans la chambre du cylindre principal et produisant un mélange pauvre pendant la course d'aspiration et dans lequel il est prévu un injecteur d'enrichissement dans la chambre du cylindre auxiliaire pour enrichir le mélange. L'avantage est que l'enrichissement de base du mélange hydrogène/air s'effectue par injection directe dans la chambre du cylindre principal et que de ce fait le cylindre auxiliaire et le piston auxiliaire peuvent être de très faibles dimensions car ils n'ont à effectuer qu'une injection d'enrichissement, ce qui fait que le moteur à combustion selon l'invention est dans son ensemble de dimensions très réduites. D'autres caractéristiques et avantages de la solution selon l'invention forment l'objet de la description qui suit, ainsi que la représentation sur les dessins de modes de réalisation. Sur les dessins: la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation d'un moteur à combustion conforme à l'invention; la figure 2 est une représentation similaire à la figure 1 du premier mode de réalisation, au point mort supérieur; la figure 3 est une représentation similaire à la figure 1 du premier mode de réalisation, au point mort inférieur; et 6 - la figure 4 est une représentation similaire à la figure 1 d'un second mode de réalisation. Le premier mode de réalisation d'un moteur à combustion à hydrogène selon l'invention, représenté à la figure 1, comprend un cylindre principal 10 et un piston principal 12 qui peuvent se déplacer vers le haut et vers le bas selon une direction de course 14, et en fait entre un point mort haut ou supérieur représenté à la figure 2 et un point mort bas ou inférieur représenté à la figure 3 Le piston principal 12 est relié par une bielle 16 à un arbre-manivelle 18 tournant de son côté autour d'un axe 20 de l'arbre de sortie 22 du moteur de combustion Dans le cylindre principal 10 débouche un canal d'admission 24 par une ouverture d'admission 26 qui peut être fermée par une soupape d'admission 28 Du cylindre principal 10 part en outre un canal d'échappement 30 partant d'une ouverture d'échappement 32, cette dernière pouvant être également fermée par une soupape d'échappement 34. Une chambre 36 du cylindre principal est délimitée par le piston principal 12 et le cylindre principal 10. A son point mort supérieur qui est représenté à la figure 2, le piston principal 12 délimite avec le cylindre principal 10 une chambre minimale 36 a du cylindre principal, alors que le piston principal 12 délimite avec le cylindre principal, à son point mort inférieur représenté à la figure 3, une chambre maximale 36 b du cylindre principal. L'allumage d'un mélange hydrogène/air présent dans la chambre 36 du cylindre principal est obtenu par un élément d'allumage 38. Le piston principal 12 est monté coaxialement à l'axe 40 du cylindre principal 10 et se déplace parallèlement à ce dernier selon la direction de la course 14. Au cylindre principal 10 se raccorde un cylindre auxiliaire 42 disposé coaxialement à l'axe 40 du cylindre et qui s'étend à partir du piston principal 12 Dans ce cylindre auxiliaire 42 est monté de façon mobile un piston auxiliaire 44 disposé également coaxialement à l'axe du cylindre et s'élevant à partir d'une partie de fond 46 du piston principal 12 selon la direction du cylindre auxiliaire 42. De préférence, le piston auxiliaire 44 est rendu solidaire du piston principal 12 par une partie de pied 48 selon la direction de la course 14, la partie de pied 48 du piston auxiliaire comprenant une bride annulaire 50 disposée dans un évidement 52 sur le côté de fond du piston principal 12 et maintenu dans cet évidement par un couvercle 54, présentant une ouverture 56, qui recouvre cette dernière dans la région de pourtour 58 de la bride annulaire 50. De préférence, l'ouverture 56, à travers laquelle le piston auxiliaire 44, en partant de sa partie de pied 48, fait saillie au-dessus de la partie de fond 48 en direction du cylindre auxiliaire 42 et l'évidement 52 sont dimensionnés de manière telle que la partie de pied 48 du piston auxiliaire présente un certain jeu en direction radiale par rapport à l'axe 40 du cylindre et puisse ainsi se déplacer légèrement en direction radiale par rapport à l'axe 40 du cylindre afin d'assumer continuellement une position centrée par rapport au piston auxiliaire 44. Dans le cas le plus simple, le piston auxiliaire 44 est totalement cylindrique et le cylindre auxiliaire 42 est également constitué de façon cylindrique par rapport à l'axe 40 du cylindre et s'étend à partir d'une ouverture 60 du cylindre principal 10 jusqu'à une tête 62 du cylindre auxiliaire, qui ferme ce cylindre auxiliaire 42 Dans la tête 62 du cylindre auxiliaire 42 est monté un injecteur d'hydrogène par lequel de l'hydrogène peut être injecté par exemple sous 15 bars. Le piston auxiliaire 44 forme avec le cylindre auxiliaire 42 une chambre 66 qui constitue la chambre minimale 66 a du cylindre auxiliaire au point mort supérieur du piston principal 12 et la chambre maximale 66 b du cylindre auxiliaire au point mort inférieur du piston principal 12. La chambre 66 du cylindre auxiliaire est en liaison avec la chambre 36 du cylindre principal par l'interstice 68 formé entre le piston auxiliaire 44 et le cylindre auxiliaire 42, c'est-à-dire entre leurs surfaces cylindriques Cet interstice est de constitution relativement importante et forme un canal de passage entre la chambre 66 du cylindre auxiliaire et la chambre 36 du cylindre principal. Le moteur à combustion selon l'invention, représenté aux figures 1 à 3, fonctionne de la manière suivante: Pendant une course d'aspiration, le piston principal 12 se déplace en commun avec le piston auxiliaire 44 à partir du point mort supérieur, représenté à la figure 2, jusqu'au point mort inférieur, représenté à la figure 1 L'ouverture d'admission 26 est alors libérée par la soupape d'admission 28, ce qui fait que de l'air peut pénétrer dans la chambre 36 du cylindre principal en passant par le canal d'admission 24 Simultanément et par l'intermédiaire de l'injecteur d'hydrogène 64, de l'hydrogène est injecté sous une pression d'environ 10 à 20 bars dans la chambre 66 du cylindre auxiliaire Comme l'interstice 68 est de dimension très limitée, seule une très faible partie de l'hydrogène s'écoule dans la chambre 36 du cylindre principal et il en résulte qu'il se forme dans cette dernière un mélange hydrogène/air extrêmement pauvre, qui n'est pas susceptible de s'allumer. Pendant une course de compression, le piston principal 12 se déplace en commun avec le piston auxiliaire 44 depuis le point mort inférieur représenté à la figure 3 jusqu'au point mort supérieur représenté à la figure 2 La compression croissante qui a lieu dans la chambre 66 du cylindre auxiliaire a pour conséquence que l'hydrogène s'écoule en quantités croissantes depuis la chambre 66 du cylindre auxiliaire vers la chambre 36 a du cylindre principal en passant par l'interstice 68 et enrichit de façon croissante le mélange hydrogène/air qui était extrêmement pauvre jusque là, ce mélange restant cependant si pauvre sur une vaste plage de la course de compression qu'il n'est pas susceptible de s'allumer et qu'il ne s'enrichit que vers la fin de la course de compression du mélange hydrogène/air dans la chambre 36 du cylindre principal pour être susceptible de s'allumer On obtient ainsi un mélange pouvant s'allumer dans la chambre 36 du cylindre principal peu avant que soit atteint le point mort supérieur, ce qui fait que la formation du mélange peut être comparée en ce qui concerne sa capacité de s'allumer à la formation interne du mélange o le début de l'injection s'effectue plus tard, c'est-à-dire o le début de l'injection a lieu à proximité du point mort supérieur. 9 - On évite ainsi le problème d'un allumage prématuré lors de la formation interne du mélange avec injection précoce. En outre, le refoulement de l'hydrogène à partir de la chambre 66 du cylindre auxiliaire et son écoulement par l'interstice 68 dans la chambre 36 du cylindre principal détermine la formation d'un fort tourbillon d'hydrogène conjointement avec l'air comprimé et il en résulte que du fait des turbulences on obtient un très bon mélange local d'hydrogène/air. Au cours de la course de combustion qui suit, le piston principal 12 et le piston auxiliaire 44 qui en est solidaire selon la direction 14 de la course passe du point mort supérieur au point mort inférieur avec expansion de la chambre 36 du piston principal et, pendant la course d'échappement qui suit, le mélange hydrogène/air bralé est éjecté par l'ouverture d'échappement 32 et le canal d'échappement 30 quand la soupape d'échappement 34 est ouverte. Le cycle de ce moteur de combustion recommence ensuite par le début. Selon un second mode de réalisation du moteur à combustion de l'invention montré à la figure 4, le piston auxiliaire 44 ' n'est pas de constitution totalement cylindrique contrairement au piston auxiliaire 44, mais va en se réduisant dans sa région centrale 70, ce qui fait que la largeur de l'interstice formé entre le cylindre auxiliaire 42 et le piston auxiliaire 44 ', et de ce fait la largeur du canal de passage entre la chambre 66 du cylindre auxiliaire et la chambre 36 du cylindre principal, varient en fonction de la position du piston auxiliaire 44 entre le point mort supérieur et le point mort inférieur. A titre d'exemple, quand il s'agit d'une course de compression, la largeur de l'interstice 68 ' est importante à partir du point mort inférieur, ce qui fait qu'au début la course de compression refoule depuis le cylindre auxiliaire 44 un volume plus réduit d'hydrogène, qui peut cependant parvenir facilement dans la chambre 36 du cylindre principal du fait de la largeur plus importante de l'interstice 68 ', alors qu'après que la région centrale 70 a dépassé l'ouverture 60 du cylindre auxiliaire, l'interstice 68 ' présente une largeur plus faible et de ce fait l'hydrogène ne peut plus s'écouler aussi facilement - depuis la chambre 66 du cylindre auxiliaire vers la chambre 36 du cylindre principal On obtient alors par exemple ce résultat qu'au début de la course de compression, et aussi longtemps qu'un mélange hydrogène/air est présent dans la chambre du cylindre principal, ce mélange étant très loin de pouvoir s'allumer, l'hydrogène peut très facilement parvenir dans la chambre 36 du cylindre principal, alors que vers la fin de la course de compression, quand le mélange hydrogène/air dans la chambre 36 du cylindre principal se rapproche de sa possibilité à allumer, une quantité plus faible d'hydrogène s'écoule dans cette dernière, et ainsi le mélange hydrogène/air est maintenu au-dessous de sa capacité d'allumage dans la chambre 36 du cylindre principal pratiquement jusqu'à ce que soit atteint le point mort supérieur, et ceci seulement pratiquement immédiatement avant que soit atteint le point mort supérieur. Selon le second mode de réalisation, il est en outre prévu un injecteur principal 72 qui débouche directement dans la chambre 36 du cylindre principal et sert à injecter directement l'hydrogène dans la chambre du cylindre principal pendant la course d'aspiration. Contrairement au premier mode de réalisation, ce second mode de réalisation fonctionne de manière que, pendant la course d'aspiration par l'injecteur principal 72, la quantité principale d'hydrogène est injectée et qu'il se forme ainsi déjà un mélange hydrogène/air dans la chambre 36 du cylindre principal, cette quantité principale étant dimensionnée de manière que le mélange obtenu soit un mélange pauvre ne présentant aucune possibilité d'allumage ou seulement une possibilité négligeable. L'hydrogène restant est injecté comme précédemment dans la chambre 66 du cylindre auxiliaire par l'intermédiaire de l'injecteur 64 et est injecté au cours de la course de compression dans la chambre 36 du cylindre principal en passant par l'interstice 68, ce qui fait qu'également avant la fin de la course de compression il en résulte un mélange optimal susceptible de s'allumer et que l'on peut ainsi obtenir les mêmes avantages qu'avec le premier mode de réalisation. L'avantage du second mode de réalisation selon la figure 4 vient du fait que le cylindre auxiliaire 42 et le piston auxiliaire 44 11 - peuvent être de dimensions plus petites et que l'ensemble du moteur à combustion peut être compact, car il faut injecter une quantité d'hydrogène plus faible dans la chambre 66 du cylindre auxiliaire et la faire passer de cette dernière dans la chambre 36 du cylindre principal. 12 - REVENDICATIONS 1 Moteur à combustion à hydrogène comprenant un piston principal qui se déplace dans un cylindre principal selon la direction de sa course entre un point mort supérieur en formant un chambre minimale du cylindre principal et un point mort inférieur, et exécute de ce fait une course d'aspiration, une course de compression, une course de combustion et une course d'éjection, caractérisé en ce que sont prévus un piston auxiliaire ( 44) et un cylindre auxiliaire ( 42), qui peuvent se déplacer l'un par rapport à l'autre en phase et en synchronisme avec le piston principal ( 12) et le cylindre principal ( 10), que le piston auxiliaire ( 44) et le cylindre auxiliaire ( 42) délimitent ensemble une chambre de cylindre auxiliaire ( 66) qui varie entre une chambre minimale ( 66 a) au point mort supérieur et une chambre maximale ( 66 b) au point mort inférieur, que la chambre minimale ( 66 a) du cylindre auxiliaire est en liaison par un canal ( 68) avec la chambre minimale ( 36 a) du cylindre principal, et que l'hydrogène peut être injecté dans la chambre ( 66) du cylindre auxiliaire au cours de la course d'aspiration de l'hydrogène. 2 Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal est formé au moins en partie par un interstice ( 68) entre le piston auxiliaire ( 44) et le cylindre auxiliaire ( 42) 3 Moteur à combustion selon la revendication 2, caractérisé en ce que la largeur radiale la plus faible de l'interstice ( 68) entre le piston auxiliaire ( 44) et le cylindre auxiliaire ( 42) varie entre le point mort supérieur et le point mort inférieur. 4 Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston auxiliaire ( 44) et le cylindre auxiliaire ( 42) se déplacent l'un par rapport à l'autre selon la direction de la course ( 14) du piston principal ( 12) 5 Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston auxiliaire ( 44) et le cylindre auxiliaire ( 42) parcourent l'un par rapport à l'autre la même distance que le piston principal ( 12). 6 Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston auxiliaire mobile ( 44) ou le cylindre auxiliaire ( 42) sont accouplés au piston principal ( 12) par l'intermédiaire d'un organe de liaison ( 48). 7 Moteur à combustion selon la revendication 6, caractérisé en ce que le cylindre auxiliaire fixe ( 42) ou le piston auxiliaire ( 44) est relié fermement au cylindre principal ( 40) et le piston auxiliaire mobile ( 44) ou le cylindre auxiliaire ( 42) est maintenu sur le piston principal ( 12). 8 Moteur à combustion selon la revendication 7, caractérisé en ce que le piston auxiliaire ( 44) ou le cylindre auxiliaire ( 42) est maintenu sur le piston principal ( 12) avec un certain jeu transversal par rapport à la direction ( 14) de la course. 9 Moteur à combustion selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le piston auxiliaire-( 44) s'étend sur la partie de fond ( 48) du piston principal ( 12). Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cylindre auxiliaire ( 42) s'étend en partant de la chambre minimale ( 36 a) du cylindre principal. 11 Moteur à combustion selon la revendication , caractérisé en ce que le cylindre ( 42) s'étend selon la direction ( 14) de la course du piston principal ( 12). 12 Moteur à combustion selon la revendication ou 11, caractérisé en ce que le cylindre auxiliaire ( 42) forme un prolongement du cylindre principal ( 10). 13 Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur de combustion est muni d'un injecteur principal ( 72) débouchant dans la chambre ( 36) du cylindre principal et produisant un mélange pauvre pendant la course d'aspiration et en ce qu'il est prévu un injecteur d'enrichissement ( 64) dans la chambre ( 66) du cylindre auxiliaire pour enrichir le mélange.