Brevet FR2755187A1 — publié le 19980430

Procédé et dispositif pour améliorer la combustion d'un moteur à combustion interne. La présente invention concerne d'une manière générale un procédé d'amélioration de la combustion dans les moteurs à combustion interne et plus particulièrement un tel procédé d'amélioration de la combustion qui comporte l'introduction localisée directement dans une chambre de combustion d'un moteur d'une quantité prédéterminée d'air enrichi en oxygène (air synthétique). L'air utilisé comme comburant dans les moteurs à combustion interne se compose principalement, en volume, d'environ 21% d'oxygène (02) et d'environ 79% d'azote (N2). L'apport d'oxygène à des concentrations supérieures à 21% dans le comburant utilisé dans les moteurs à combustion interne favorise les réactions d'oxydation au sein du mélange combustible/comburant ce qui a pour effet: - une réduction de la dispersion cycle à cycle des réactions de combustion; - une oxydation plus complète du combustible, et - une vitesse d'oxydation accrue; ce qui améliore le rendement du moteur. Il est connu d'utiliser de l'air enrichi en oxygène à l'admission d'un moteur à combustion interne. Cette solution est décrite, par exemple, dans le document EPA-0461 852. Bien que cette solution améliore le rendement du moteur, elle présente des inconvénients qui peuvent s'avérer rédhibitoires. Etant donné que l'air enrichi en oxygène est l'air d'admission du moteur, les débits d'air à traiter pour l'enrichissement sont très importants et il s'ensuit que les systèmes d'enrichissement de l'air en oxygène peuvent alors être volumineux et onéreux. Les moteurs ainsi alimentés à l'admission par de l'air enrichi en oxygène peuvent connaître des problèmes de tenue des matériaux à la température et à l'oxydation du fait de l'élévation de la température de combustion et de la teneur accrue en oxygène. Enfin, il est connu que la formation d'oxydes d'azote (NOx) a lieu à des température élevées. L'élévation de la température de combustion due à la teneur accrue en oxygène de l'air d'admission peut devenir dans ce cas un problème majeur à moins que le comburant à l'admission soit constitué à 100% d'oxygène. Ainsi, si une admission en comburant à teneur accrue en oxygène est bénéfique pour la combustion du combustible, en particulier pour l'oxydation des hydrocarbures, de l'oxyde de carbone et des particules, elle peut s' avérer néfaste quant à la formation des oxydes d'azote et aux contraintes thermiques développées. La présente invention a donc pour objet un procédé d'amélioration de la combustion d'un moteur à combustion interne qui remédie ou évite les inconvénients et défauts mentionnés ci-dessus. La présente invention a plus particulièrement pour objet un procédé d'amélioration de la combustion d'un moteur à combustion interne utilisant un comburant enrichi en oxygène remédiant ou évitant les inconvénients et défauts de l'art antérieur. La présente invention a encore pour objet des dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Selon l'invention on atteint les objectifs ci-dessus par un procédé pour améliorer la combustion d'un moteur à combustion interne qui consiste à introduire une quantité prédéterminée d'air synthétique localement directement dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Cette introduction d'une quantité prédéterminée d'air synthétique peut s'effectuer sur l'ensemble ou une partie de la zone de fonctionnement du moteur, de manière continue ou discontinue. Dans une réalisation du procédé de l'invention, l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique s'effectue au moment de l'initiation de la combustion. Dans ce cas, l'introduction de l'air synthétique s'effectue de préférence à proximité du dispositif d'allumage. Dans une autre réalisation du procédé de l'invention, l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique s'effectue dans une phase tardive du cycle de combustion du moteur. Dans ce dernier cas, l'introduction de l'air synthétique se fait de préférence au niveau du piston dans la chambre de combustion, et de préférence encore de manière annulaire. Dans la présente invention on entend par "air synthétique" tout air comportant plus de 21% en volume d'oxygène y compris un comburant constitué à 100% d'oxygène. On entend par "chambre combustion" tout dispositif d'un moteur à combustion interne dans lequel s'effectue une combustion d'un mélange combustible/comburant tel que les ensembles cyclindrepiston-culasse des moteurs à allumage commandé 4 temps ou 2 temps, les chambres de précombustion et combustion d'un moteur diesel 4 temps ou 2 temps, et y compris les chambres de combustion de turbines. En introduisant localement une quantité prédéterminée d'air synthétique directement dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne on peut améliorer l'initiation de la combustion et la combustion du mélange avec le combustible. En outre, cette injection locale dans la chambre de combustion d'une quantité d'air synthétique prédéterminée, est adaptée au résultat recherché, et généralement permet d'utiliser des quantités d'air synthétique inférieures aux quantités d'air synthétique nécessaires dans le cas d'une utilisation à l'admission du moteur. Du fait de l'utilisation d'une quantité moindre d'air synthétique en des endroits prévus de la chambre de combustion, les températures de combustion et d'oxydation atteintes peuvent être réglées pour limiter la formation des oxydes d'azote et les contraintes thermiques tout en améliorant la combustion du combustible (hydrocarbures) et de polluants (CO, particules, etc.). Dans une réalisation particulière de l'invention relative à un moteur à allumage commandé comportant une ou plusieurs chambres de combustion comprenant chacune un dispositif d'allumage (par exemple une bougie dans le cas d'un moteur à essence) l'introduction s'effectue de manière localisée directement dans la ou les chambres de combustion, par exemple au droit du ou des dispositifs d'allumage. Dans la réalisation ci-dessus, l'introduction de l'air synthétique peut s'effectuer en phase avec l'allumage pour une optimisation de l'effet ou en phase avec la fin de la combustion de manière à prolonger la combustion, ou encore on peut réaliser cette introduction de l'air synthétique en deux injections, une au début de la combustion et l'autre à la fin de la combustion. L'apport d'air synthétique dans la zone d'allumage, en particulier en phase avec l'allumage, favorise les réactions d'initiation de la combustion et de propagation de la flamme, tout en autorisant des énergies d'allumage plus basses. Dans le cas d'une introduction tardive de l'air synthétique par rapport au cycle de combustion on peut utiliser une combustion initialement riche pour produire peu d'oxydes d'azote et achever la combustion du mélange comburé par introduction tardive d'air synthétique dans une phase du cycle où les températures de combustion ne sont plus suffisamment élevées pour favoriser la formation de ces oxydes. Plus particulièrement, lorsque l'introduction de l'air synthétique est effectuée localement, par exemple près de dispositifs d'allumage et au moment de l'initiation de l'allumage, cette introduction raccourcit le temps d'initiation de l'allumage. De plus comme cette injection est localisée, l'accroissement de la température dû à la teneur accrue en oxygène n'a lieu que localement à un moment où les températures dans la chambre de combustion sont faibles ce qui réduit les risques de formation d'oxydes d'azote, contrairement au cas des moteurs avec introduction d'air enrichi en oxygène à l'admission où l'effet de température dû à l'oxygène se prolonge sur toute la durée de la combustion et notamment dans la zone correspondant aux températures (et pressions) maximales du cycle. Dans le cas d'introduction tardive de l'air synthétique, on peut effectuer cette introduction au niveau de la segmentation des pistons (crevasses) afin de réduire les distances de coincement de flamme, ces distances de coincement de flamme diminuant considérablement lorsque le taux d'oxygène du comburant augmente. Dans d'autres réalisations du procédé de l'invention l'introduction d'air synthétique peut également servir à une injection directe pneumatique du carburant telle que par exemple dans les injections orbitales ou IAPAC du carburant utilisées dans les moteurs 2 temps. Dans le cas de moteurs diesel, le procédé selon l'invention comme indiqué précédemment, comprend l'injection d'air synthétique directement soit dans la préchambre de combustion soit dans la chambre de combustion. La combustion d'une partie du mélange est ainsi favorisée ce qui diminue, à la source, les émissions de particules et d'hydrocarbures imbrûlés. De préférence, cette injection s'effectue de manière à éviter le plus possible que le mélange carburé principal touche les parois de la chambre de combustion. Ce dernier résultat peut être obtenu en réglant l'orientation et la pression d'air synthétique introduit. De préférence également, l'introduction s'effectuera en phase avec le déclenchement de la combustion ce qui stabilise l'initiation de la combustion et la combustion elle-même. Dans tous les cas, la vitesse de combustion sera plus importante diminuant ainsi les pertes d'énergie par transfert thermique avec les parois de la chambre de combustion. Comme dans le cas d'un moteur à allumage commandé, on peut utiliser l'air synthétique introduit dans une injection pneumatique de carburant ou en fin de combustion pour prolonger celle-ci et diminuer la quantité de suies, d'hydrocarbures imbrûlés et de CO produits. En utilisant le procédé de l'invention avec un moteur diesel, il est possible d'utiliser un autre carburant que le gazole. Dans ce cas le mélange carburé pourrait être introduit à l'admission de la chambre de combustion et la combustion serait alors déclenché par l'introduction dans la chambre de combustion de l'air synthétique. On peut dans le procédé de l'invention, le cas échéant, utiliser l'azote séparé lors de l'obtention de l'air synthétique en le réintroduisant dans l'air d'admission, en amont du papillon d'admission du moteur. Cette réinjection d'azote diminue les pertes par pompage du moteur au démarrage et ceci sans crainte de givrage ou d'encrassement du papillon d'admission. Elle diminue également la température de combustion dans les zones enrichies en azote ce qui diminue le production des oxydes d'azote dans ces zones. La présente invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention qui comprend un dispositif de production d'air synthétique relié à une source d'air (par exemple un compresseur comprimant l'air atmosphérique) et un dispositif recevant l'air synthétique délivré par le dispositif de production et introduisant localement une quantité prédéterminée d'air synthétique directement dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. La présente invention s'applique également aux chambres de combustion comportant un dispositif d'allumage à préchambre. Dans le cas de ces systèmes d'allumage il est possible d'alimenter les préchambres par de l'air enrichi en oxygène (air synthétique) afin d'accélérer et d'améliorer le début de la combustion. C'est le cas en particulier des dispositifs du type à jet de plasma dont une version est connue sous la dénomination "Pulsed Jet Combuster". On pourra à ce sujet se référer aux brevets des Etats-Unis n" 4 974 571, n" 4924 823 et n" 4926 818. Dans ces systèmes il est intéressant de disposer au niveau de la préchambre d'un mélange carburé constitué d'air enrichi en oxygène avec une richesse adaptée de façon à accélérer la combustion in situ tout en favorisant la production de radicaux actifs (composés chimiques intermédiaires de combustion indispensables à la propagation des réactions d'oxydation). On obtient ainsi un jet en sortie du dispositif d'allumage à préchambre plus rapide, plus chaud et toujours actif en radicaux libres. On peut alors réduire la section des trous de sortie du plasma de manière à obtenir un jet plus turbulent et plus efficace dans l'initiation de la combustion de la chambre principale. Un autre avantage lié à l'utilisation d'un air synthétique selon l'invention dans les système s à dispositif d'allumage à préchambre est l'optimisation du dispositif d'alimentation qui devra débiter une quantité moindre. Ainsi, le dispositif d'alimentation pourra être équipé de sections d'alimentation de la préchambre en air au mélange carburé de plus faibles dimensions (donc plus facilement intégrables) minimisant les volumes tampons et améliorant le temps de réponse du dispositif d'injection ainsi que sa compacité. Que le mélange air/carburant de ce type d'allumage s'effectue ou non au niveau de la préchambre, il est possible de contrôler séparément l'injection d'air de celle du carburant; une injection continue de l'air est alors tout à fait envisageable. Cette injection permettra un balayage de la cavité du système d'allumage évitant la vidange de cette dernière durant la phase de détente du cycle moteur, et donc limitant les émissions d'hydrocarbures imbrûlés issus du dispositif d'allumage. De plus, le contrôle de la pression d'alimentation de cet air permet au clapet antiretour d'arrêter son débit pendant les phases où la pression de la chambre de combustion est élevée et où il n'est pas souhaitable d'injecter de l'oxygène de manière à ne pas favoriser la formation des oxydes d'azote. L'injection d'air reprendra naturellement lorsque la pression de la chambre descendra en dessous de la pression d'alimentation en air du système d'allumage ce qui aura pour conséquence de favoriser l'oxydation des hydrocarbures piégés dans la préchambre et d'une partie des hydrocarbures imbrûlés de la chambre principale de combustion. Les dispositifs et procédés d'enrichissement de l'air en oxygène sont connus. On décrit ci-dessous trois procédés et dispositifs différents connus d'enrichissement de l'air en oxygène, l'adsorption préférentielle avec commutation (Swing Adsorption), les membranes à perméabilité sélective et les céramiques conductrices. Adsorption préférentielle avec commutation (Swing Adsorption) Le principe repose sur l'adsorption préférentielle de l'azote sur certains matériaux comme les Zéolithes (composé aluminosilicate). L'air en contact avec ces zéolithes se décharge ainsi d'une partie de l'azote le constituant et voit sa concentration en oxygène augmenter. Après un certain temps de fonctionnement les zéolithes sont saturées en azote et il est donc nécessaire de les régénérer. Cette régénération se fait par commutation (Swing) de la colonne de zéolithes à l'air ambiant grâce à un gradient de pression et/ou un gradient de température. Dans le cas de l'utilisation d'un gradient de pression (Pressure Swing Adsorption) deux colonnes (au minimum) sont utilisées; l'une fonctionne sous un certain débit d'air et sous une pression de 2 à 10 bars; la zéolithe de cette colonne se charge progressivement en azote et la concentration d'oxygène en sortie est supérieure à 21%. Une fraction de ce flux (débit d'élution) est dirigée sur la deuxième colonne et permet sa régénération. Lorsque la première colonne est saturée les flux d'air son intervertis permettant la concentration en oxygène dans la deuxième colonne et la régénération de la première. La durée d'utilisation d'une colonne ou de sa régénération s'appelle le temps de cycle. La concentration de l'oxygène en sortie du système dépend de nombreux facteurs - air : pression, débit, température - système: poids de zéolithe, temps de cycle. Le système utilisant un gradient de température (Température Swing Adsorption) est analogue au précédent et utilise les différences de température pour permettre la régénération des colonnes. D'autres systèmes d'adsorption à commutation (PTV Swing Adsorption) combinent différents paramètres de fonctionnement (pression ou dépression, température) ces systèmes, plus efficaces, s'adaptent plus facilement au besoin: meilleur rendement, diminution de volume, etc. Membranes à perméabilité sélective Dans ce cas, c'est la différence de pennéation de l'oxygène et de l'azote à travers une membrane qui assure la séparation de ces deux constituants. L'air est introduit sous pression sur une face de la membrane; une partie des gaz, préférentiellement l'oxygène, traverse la membrane et est récupéré à la pression ambiante; l'autre partie, plus riche en azote est recueillie en aval, sans perte notable de pression. Ce système est en général utilisé pour récupérer l'azote et non l'oxygène considéré alors comme sous produit. Céramiques conductrices ioniques C'est une opération électrochimique qui permet de récupérer l'oxygène de l'air. L'air est au contact d'une face de la céramique (la cathode) sur laquelle l'oxygène est réduit. Les ions ainsi formés O- traversent sélectivement la céramique conductrice (à haute température) sous l'effet d'un potentiel électrique. Sur l'autre face (anode) les ions O- se recombinent en oxygène. Le système développé est un cyclindre de céramique baigné par de l'air ambiant sur sa face externe et qui accumule l'oxygène pur et sous pression dans son volume interne. Dans une réalisation de l'invention le dispositif de production d'air synthétique délivrant l'air synthétique et le dispositif d'introduction d'une quantité d'air prédéterminée dans la chambre de combustion du moteur sont des dispositifs distincts. Par exemple, le dispositif de production d'air synthétique peut être un dispositif de type précédemment décrit disposé à proximité de la chambre de combustion et le dispositif d'introduction peut être un injecteur de type classique disposé dans la chambre de combustion. On peut, le cas échéant prévoir un dispositif de stockage tampon entre le dispositif de production d'air synthétique et le dispositif d'introduction ce qui permet un meilleur dimensionnement du dispositif de production d'air synthétique. La source d'air peut être l'air atmosphérique, de l'air situé dans la chambre de combustion ou l'air situé dans le bas carter moteur en dessous du piston. Dans une autre réalisation du dispositif selon l'invention le dispositif de production d'air synthétique et le dispositif d'introduction d'air synthétique sont constitués par les pistons du moteur dont les jupes sont fabriquées en céramique conductrice. La source d'air serait alors l'air récupéré dans le bas carter moteur (en dessous du piston) et l'oxygène transite alors à travers la jupe pour oxyder les hydrocarbures piégés dans les crevasses du piston (au niveau de la segmentation). Le cas échéant, l'azote séparé de l'air synthétique par le dispositif de production d'air synthétique peut être réintroduit dans la canalisation d'admission du moteur en amont du papillon d'admission. Enfin, la source d'air peut être constituée par un turbocompresseur entraîné par le travail de détente des gaz d'échappement et qui fournit tout ou partie de l'énergie nécessaire à la compression de l'air ambiant délivré à l'entrée du dispositif de production d'air synthétique. On a représenté schématiquement à la figure 1, une réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le dispositif comprend une source d'air 10 qui dans la réalisation représentée est constituée par un turbocompresseur entraîné par le gaz d'échappement du moteur pour comprimer l'air ambiant. L'air ambiant comprimé par le turbocompresseur 10 est délivré à un dispositif de production d'air synthétique 20, par exemple un système tel que ceux décrits précédemment, qui sépare l'air comprimé reçu en un courant d'air synthétique (enrichi en oxygène) 21 et un courant d'azote 22. Le courant d'air synthétique 21 est introduit localement par un dispositif d'introduction, tel qu'un injecteur (non représenté), dans une chambre de combustion du moteur 30, cependant que le courant d'azote 22 est réintroduit dans la conduite d'admission 31 du moteur en amont du papillon d'admission 32. REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer la combustion d'un moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il consiste à introduire une quantité prédéterminée d'air synthétique, localement directement dans une chambre de combustion du moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique s'effectue sur une partie ou sur l'ensemble de la zone de fonctionnement du moteur, de manière continue ou discontinue. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique a lieu au moment de l'initiation de la combustion et/ou dans une phase tardive du cycle de combustion du moteur. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique s'effectue près d'un dispositif d'allumage de la chambre de combustion du moteur. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'introduction de la quantité prédéterminée d'air synthétique s'effectue au niveau d'un piston contenu dans la chambre de combustion. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur à allumage commandé. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne est un moteur diesel. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que de l'azote séparé lors de l'obtention de l'air synthétique est introduit dans l'air d'admission du moeur en amont d'un papillon d'admission afin de diminuer la température de combustion et ainsi diminuer la production d'oxydes d'azote. 9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif d'allumage est un dispositif d'allumage à préchambre et l'introduction de l'air synthétique s'effectue dans la préchambre. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'introduction de l'air synthétique dans la préchambre s'effectue en continu pour un balayage de la préchambre. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la pression de l'air synthétique introduit dans la préchambre est réglée pour éviter le transfert de cet air synthétique à la chambre de combustion lorsque la pression dans la chambre de combustion est élevée. 12. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de production d'air synthétique (20) relié à une source d'air et un dispositif pour recevoir l'air synthétique du dispositif de production et introduire localement une quantité prédéterminée d'air synthétique directement dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif d'introduction d'air synthétique introduit la quantité prédéterminée d'air synthétique au droit d'un dispositif d'allumage de la chambre de combustion. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif d'allumage est un dispositif à préchambre et en ce que la quantité prédéterminée d'air synthétique est introduite dans la préchambre. 15. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif d'introduction d'air synthétique introduit la quantité prédéterminée d'air synthétique au niveau de la segmentation d'un piston de la chambre de combustion. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stockage de l'air synthétique disposé entre le dispositif de production d'air synthétique (20) et le dispositif d'introduction d'air synthétique. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que la source d'air comprend un turbocompresseur (10).