Brevet FR2810373A1 — publié le 20011221

La présente invention se situe dans le domaine technique des moteurs à combustion interne, notamment le moteurs à explosion à cylindres et pistons, avec injection de carburant, qui peuvent équiper des véhicules, ou être aussi utilisés comme des moteurs fixes. Tous les moteurs à combustion interne sont actuellement munis d'un système de refroidissement, par circulation d'un liquide refrigéré extérieurement ou par ventilation d'air ambiant. Ce système fait perdre une fraction de l'enthalpie de combustion complète du carburant, la perte d'énergie constatée étant d'environ 25%. Une telle perte d'énergie se traduit par un manque de disponibilité de puissance sur l'arbre moteur. La présente invention a pour but de réduire fortement cette perte d'énergie due au refroidissement, de manière à améliorer de façon sensible le rendement énergétique des moteurs à combustion interne. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un moteur à combustion interne, qui est dépourvu de système de refroidissement extérieur spécifique, et qui est pourvu de moyens pour l'introduction, dans une ou des chambres de mélange, d'une quantité d'air comprimé additionnelle, telle que le moteur reçoit une quantité d'air totale supérieure à celle requise pour la combustion/explosion du carburant. Ainsi, l'invention repose sur le principe du non-refroidissement du moteur par une source froide extérieure traditionnelle, mais d'un transfert de l'enthalpie correspondant à une quantité d'air additionnelle à celle de la combustion. Le supplément d'air est mélangé aux gaz sortant de la chambre de combustion dans la "chambre de mélange". Plus particulièrement, la quantité d'air ajoutée, conformément à l'invention, est telle que son augmentation d'enthalpie en fin de mélange avec les gaz sortant de la chambre de combustion soit équivalente à celle rejetée par refroidissement, dans le cas des moteurs à combustion interne actuels équivalents, avec système de refroidissement extérieur. Le volume total du mélange "gaz + air additionnel" emmagasine donc toute l'enthalpie de combustion du carburant avant détente motrice. La quantité d'air additionnelle joue ainsi le rôle de "refroidissement" mais, à l'inverse des moteurs à combustion interne traditionnels, l'enthalpie correspondante reste au sein même du mélange gaz-air, au lieu d'être rejetée hors du moteur. Elle va donc fournir du travail au cours de la détente motrice. Cette enthalpie "cédée" à l'air additionnel est par conséquent en supplément à celle des gaz de combustion, par comparaison avec les moteurs à combustion interne classiques. La fraction d'air additionnelle peut être de l'ordre de 40%, par rapport à la quantité seulement nécessaire à la combustion /explosion du carburant, cette dernière quantité étant inchangée par rapport à celle des moteurs actuels. Le rendement énergétique, obtenu pour le moteur objet de l'invention, peut atteindre 37% ou plus. II en résulte, comme conséquence avantageuse, une diminution considérable de la pollution atmosphérique, pour les mêmes conditions de service que les moteurs actuels, à rendements voisins de 27%. On notera que l'enthalpie transmise à l'air additionnel sort du moteur par transformation en travail, par le ou les pistons, et par sortie avec les gaz de combustion en fin de détente motrice. II n'y a donc pas d'accumulation de chaleur dans le moteur objet de l'invention, et le fonctionnement thermique global de ce moteur est très voisin de celui d'un moteur combustion interne classique. La chambre de combustion est refroidie après chaque sortie des gaz, par l'air de la combustion suivante. Le moteur seul maintient ainsi sa propre température d'équilibre. Pour la fourniture de l'air de combustion/explosion, et de la quantité d'air additionnel, sous pression, l'invention prévoit diverses possibilités. Selon une forme de réalisation de l'invention, le moteur possède au moins un cylindre de compression d'air, avec un piston lié au même vilebrequin que les pistons des cylindres servant à la détente motrice, ou "cylindres moteurs", cette première possibilité étant particulièrement adaptée à des moteurs montés sur des véhicules. De preférence, l'on prévoit dans ce cas deux cylindres de compression d'air. Des turbines de construction adaptée, ou des compresseurs, peuvent aussi être utilisées pour fournir l'air de combustion/explosion et la quantité d'air comprimé additionnelle, en particulier dans le de moteurs fixes. Si plusieurs moteurs selon l'invention sont utilisés en position statique, dans une usine par exemple, l'air comprimé peut être fourni à l'ensemble de ces moteurs à partir d'un groupe commun, envoyant l'air vers tous les moteurs, ce qui constitue naturellement une solution économique. Avantageusement, une bouteille tampon est insérée entre les moyens de fourniture d'air comprimé de combustion/explosion et de la quantité d'air additionnel, tels qu'envisagés ci-dessus, et le ou les points d'introduction de cet air comprimé dans la ou les chambres de combustion/explosion et la ou les chambres de mélange correspondantes. Plus particulièrement, pour un cylindre moteur, la ou chaque chambre de mélange est délimitée en partie supérieure par la culasse, latéralement par la paroi du cylindre moteur lui-même, et en partie basse par la tête du piston placé dans le cylindre moteur. La culasse comporte, en plus des soupapes d'entrée d'air de combustion et de sortie des gaz de combustion, au moins une soupape pour l'entrée d'air additionnel dans ladite chambre de mélange, et elle comporte aussi au moins une soupape de sortie des gaz et de l'air détendus à l'atmosphère. Ainsi, la chambre de mélange n'est pas un dispositif mécanique additionnel, mais elle se forme elle-même, entre la culasse et la tête du piston dans une position précise, en cours d'éloignement vers le point mort bas. Cette chambre de mélange est alimentée en air additionnel par une soupape spécifique, reliée à la source d'air comprimé additionnel, et notamment à la sortie de la bouteille tampon. La soupape prévue pour l'échappement du mélange "gaz + air", détendu, fonctionne en s'ouvrant rapidement au point mort bas du piston. Hormis la culasse particulière, le moteur n'est pas modifié et, en particulier, il utilise les carburants habituels (essences ou diesel), introduits sensiblement de la même façon que dans les moteurs classiques et selon un cycle analogue (moteur à quatre temps), avec la particularité avantageuse de disposer de temps de combustion/explosion assez longs, permettant d'obtenir la combustion la plus complète possible ; il s'agit là d'un avantage important, du point de vue de la lutte contre la pollution. On notera aussi l'inutilité de tout système de récupération aval, du type "turbo", car la détente motrice du mélange "gaz de combustion + air additionnel" est totale, jusqu'à la sortie à l'atmosphère. Cependant, le moteur objet de l'invention nécessitant une classe particulière, de capacité thermique plus élevée que celle des moteurs classiques, il est préférable de réaliser la culasse ou un matériau métallique à module d'élasticité élevé, supérieur à celui de alliages actuellement employés, et en particulier en acier spécial. En période chaude, une éventuelle ventilation pourra "balayer" la surface extérieure de la culasse, si la température est élevée, l'utilisation d'un ventilateur de faible puissance suffisant à cet effet. De toute façon, l'invention sera mieux comprise l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce moteur combustion interne sans refroidissement extérieur Figure 1 est un schéma de principe général d'un moteur à cylindres et pistons, conforme à la présente invention ; Figure 2 est une vue en plan très schématique de la culasse de ce moteur (pour un cylindre moteur) ; Figure 3 est une vue en coupe longitudinale de cette culasse ; Figure 4 est une vue générale, de côté, d'un moteur à deux cylindres de compression d'air et deux cylindres de détente motrice, conforme à l'invention ; Figure 5 est une vue en plan par dessus du moteur de figure 4 ; Figure 6 illustre l'application de l'invention à une turbine. Comme le montre la figure 1, un moteur à combustion interne, conforme à la présente invention, comprend dans son principe général un vilebrequin 2, au moins un cylindre 3 de détente motrice avec un piston moteur 4 lié au vilebrequin 2, une culasse en acier 5 coiffant le cylindre 3, au moins un cylindre additionnel 6 de compression d'air avec un piston interne 7 lié au même vilebrequin 2. Le cylindre additionnel 6 est prévu pour comprimer une quantité totale d'air, à savoir l'air nécessaire à la combustion/explosion et, en supplément, une certaine quantité d'air additionnel, à introduire dans le cylindre moteur 3 pour réaliser la combustion/explosion et le refroidissement du moteur. Plus particulièrement, pour assurer sa fonction, le cylindre 6 de compression d'air comporte une aspiration d'air ambiant 8, et un refoulement d'air comprimé 9 relié à l'entrée d'une bouteille tampon 10 air comprimé. La sortie de la bouteille tampon 10 est reliée à un point d'entrée 1 1 d'air additionnel et à un point d'entrée 12 d'air de combustion, situés sur la culasse 5 qui, de façon habituelle, comporte aussi des moyens d'injection de carburant. En se référant aussi aux figures 2 et 3, la culasse 5 comporte intérieurement une chambre de combustion/explosion 13, reliée au point d'entrée 12 de l'air de combustion par l'intermédiaire d'une soupape 14 d'entrée d'air de combustion. A la chambre de combustion/explosion 13 est aussi associée une soupape 15 de sortie des gaz de combustion. Le point d'injection de carburant se situe en 16, dans la chambre de combustion/explosion 13. Dans le cas d'utilisation de carburant nécessitant un allumage par étincelle, la bougie est localisée en 16' (voir figures 2 et 3 ) . Sur le côté de chambre de combustion/explosion 13, la culasse 5 comporte une soupape 17 d'entrée d'air additionnel, montée entre le point d'entrée 11 d'air additionnel et une "chambre de mélange" 18, qui est délimitée comme le montrent les figures 1 et 3 : en partie supérieure, par la culasse 5 - latéralement, par la paroi interne du cylindre moteur 3 ; en partie basse, par la tête du piston 4 logé dans le cylindre moteur 3. La culasse 5 comporte encore une soupape 19 de sortie des gaz et de l'air détendus à l'extérieur. Dans le cycle de fonctionnement du moteur, l'introduction d'air comprimé additionnel dans la chambre de mélange 18 est contrôlée par la soupape 17, et la sortie du mélange des gaz de combustion et de l'air additionnel est contrôlée par la soupape 19, tandis que l'injection de carburant, et le fonctionnement de la chambre de combustion/explosion 13 ne sont, dans leur principe, pas modifiées par rapport aux moteurs classiques. Cette chambre de combustion/explosion 13 est alimentée en air comprimé, qui entre par la soupape 14, à une pression et un taux définis selon le constructeur, la puissance et le carburant. Ladite chambre 13 communique avec le cylindre 3 de détente motrice par la soupape 15 ; dès la fin de la combustion/explosion, les gaz sortent de la chambre 13 par la soupape 15, et commencent leur travail en détente avec l'air additionnel auquel ces gaz de combustion/explosion se mélangent instantanément. La soupape 17 d'entrée d'air additionnel est ouverte dès que le piston moteur 4 quitte son point mort haut. L'introduction d'air additionnel est poursuivie jusqu'au moment où le recul de la tête du piston 4 a "dégagé", au-dessus d'elle, un volume calculé qui est celui de la chambre de mélange 18. En ce point précis, la quantité d'air additionnel requise est parvenue à l'intérieur de la chambre de mélange 18, et la soupape 17 termine sa fermeture. Ainsi, les gaz issus de la chambre de combustion/explosion 13 seront, dès le début de leur entrée dans le cylindre moteur 3, sur la tête du piston 4, mélangés à la quantité d'air comprimé additionnel qui vient d'être introduite dans le même cylindre 3. La fin de fermeture de la soupape 17 est aussi l'instant d'ouverture de la soupape 15, permettant l'entrée des gaz de combustion dans la chambre de mélange 18, où ces gaz se mélangent à l'air additionnel précédemment introduit. L'enthalpie de l'air additionnel est ainsi rendue disponible au sein des gaz de combustion, mélangés à cet air, et ce mélange conduit à un abaissement instantané de la température ; il en est de meure de l'abaissement de la pression, qui en est la conséquence directe. De plus, ce mélange gaz-air fournit un travail de détente maximum, la pression finale n'étant que la perte de charge entre le cylindre moteur 3 et la sortie à l'atmosphère (cette perte de charge pouvant etre voisine de 0,3 bar). Dans le cycle de fonctionnement, étant donné que le piston moteur 4 et le piston de compression d'air 7 sont liés au même vilebrequin 2, un tour de ce dernier entraîne, du côté du cylindre moteur - la détente motrice pour un demi-tour, - le refoulement des gaz moteur détendus pour le demi-tour suivant et, du côté du cylindre 6 de compression d'air - l'aspiration d'air ambiant pour un demi-tour - la compression de cet air pour le demi-tour suivant. Donc, en un seul tour du vilebrequin 2 s'effectuent les quatre temps d'un moteur classique. Etant donné qu'un cylindre moteur 3 est réellement moteur sur un demi-tour du vilebrequin 2, il est clair qu'en installant un deuxième cylindre moteur sur le même vilebrequin (avec montage des manetons respectifs en opposition de phase), le vilebrequin devient réellement moteur sur la totalité de chaque tour. En ce qui concerne le carburant, pour un carburant nécessitant une étincelle, fournie par la bougie située au point 16', la pulvérisation du carburant se fait au point d'injection 16 situé, comme la bougie, au centre de la chambre de combustion/explosion 13, comme montré au dessin (figures 2 et 3). Dans le cas d'un fonctionnement de type diesel, le carburant est pulvérisé dans la chambre de combustion/explosion 13 dans les meures conditions que pour un moteur classique de ce type. Du fait que, pour tous les carburants, la pulvérisation de ceux-ci est effectuée dans l'air déjà comprimé, il est nécessaire de prévoir les pompes d'injection en conséquence. Le temps de combustion/explosion, étant assez long, permet une bonne diffusion de la combustion dans la chambre de combustion/explosion 13, donc l'obtention d'une combustion la plus complète possible, ce qui représente un point important contre la pollution. Le temps de combustion se situe, en effet, entre le début (environ 20%) de la montée du piston 4 vers son point mort haut, et le tout début de sa descente vers le point mort bas. En effet, il faut que cette combustion se termine toutefois avant que le piston 4 du cylindre moteur 3, au cours de sa course vers le point mort bas, ait dégagé le volume requis d'air additionnel, dit "chambre de mélange" 18. Enfin, le fonctionnement des divers soupapes 14, 15, 17 et 19, avec contrôle de leurs instants d'ouverture et de fermeture, est assuré de manière connue en soi par un ou deux arbres à cames (non représentés). Pour un moteur de moyenne puissance, comme illustré aux figures 3 et 4, on prévoit préférence deux cylindres 6 de compression d'air, au-dessus desquels peut prendre place la bouteille tampon 10, et deux cylindres moteurs 3. Les pistons respectifs 4 et 7 des cylindres 3 et 6 sont liés au vilebrequin 2 par un embiellage classique, non représenté. Etant donné que l'air comprimé est introduit dans la bouteille tampon 10 avant utilisation, il est nécessaire qu'il soit exempt d'huile, de sorte que, pour les pistons 7 des cylindres 6 de compression d'air, l'on utilise des pistons "secs" (à segments non lubrifiés). La bouteille tampon 10 est calorifugée. De plus, afin que l'air fourni soit à la pression et la température requises, même après un large arrêt et quelle que soit la saison, la bouteille tampon 10 comporte avantageusement des moyens de remise en température, réalisables sous la forme d'une résistance électrique chauffante, adaptée pour le réchauffage de cette bouteille. Par ailleurs, pour des raisons de sécurité, les sorties de la bouteille tampon 10, vers les chambres de combustion/explosion 13 et de mélange 18, sont munies de clapets anti-retour. La figure 6 illustre la possibilité alternative d'application de la présente invention à une turbine de détente motrice 20, à haut rendement, qui par l'intermédiaire d'un réducteur 21 (ou réducteur-variateur de vitesse) entraîne une machine 22 tel véhicule, équipement industriel ou autre. L'air comprimé est, ici aussi, fourni à partir d'au moins un cylindre 6 de compression d'air, et par l'intermédiaire d'une bouteille tampon 10 dont la sortie est reliée à un point d'entrée 11 d'air additionnel et à un point d'entrée 12 d'air de combustion situés sur une culasse 5 (les éléments correspondant à ceux précédemment décrits étant désignés par les mêmes repères numériques). On notera que, dans cette application, la quatrième soupape (pour sortie des gaz et de l'air détendus) est supprimée. De plus, dans cette application, la "chambre de mélange" des gaz et de l'air additionnel matérialisée différemment. La soupape 17 d'entrée d'air additionnel est en phase avec la soupape 15 de sortie des gaz de combustion, les sorties respectives de ces deux soupapes étant réunies au col du venturi 23 le flux gazeux commence son travail sur la turbine 20, ce point constituant la chambre de mélange. L'utilisation du moteur à combustion interne, objet de l'invention, est équivalente à celle de tous les moteurs à combustion interne actuels, l'invention appliquant à la même gamme de puissance que les moteurs actuels. L'invention peut être mise en oeuvre tant pour la motorisation des véhicules neufs ou des installations nouvelles, que pour transformer des moteurs déjà existants. Comme il va de , l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce moteur à combustion interne sans refroidissement extérieur qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en modifiant le nombre des cylindres du moteur, le détail des soupapes ou les matériaux constitutifs ; en particulier, le nombre de cylindres moteurs peut être augmenté, pour être égal à quatre, six, huit,..., selon les puissances plus ou moins élevées qui seraient désirées. REVENDICATIONS 1 - Moteur à combustion interne, notamment moteur à explosion à cylindres et pistons, avec injection carburant, pouvant équiper un véhicule ou être utilisé comme moteur fixe, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de système de refroidissement extérieur spécifique, et est pourvu de moyens (6 à 11, 17) pour l'introduction, dans une ou des chambres de mélange (18), d'une quantité d'air comprimé additionnelle, telle que le moteur reçoit une quantité d'air totale supérieure à celle requise pour la combustion/explosion du carburant, le supplément d'air étant ajouté aux gaz sortant de la chambre de combustion (13). 2 - Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'air ajoutee est telle que son augmentation d'enthalpie en fin de mélange avec les gaz sortant de la chambre de combustion (13) soit équivalente à celle rejetée par refroidissement, dans le cas d'un moteur à combustion interne équivalent, avec système de refroidissement extérieur. 3 - Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fraction d'air additionnelle est de l'ordre de 40%, par rapport à la quantité seulement nécessaire à la combustion/explosion du carburant. 4 - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, plus particulièrement monté sur un véhicule, caractérisé en ce qu'il possède, pour la fourniture de l'air de combustion/explosion et de l'air additionnel, au moins un cylindre (6) de compression d'air, avec un piston (7) lié au même vilebrequin (2) que les pistons (4) des cylindres (3) servant à la détente motrice, ou "cylindres moteurs". 5 - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, plus particulièrement moteur fixe, caractérisé en ce qu'une turbine ou un compresseur est prévu pour fournir l'air comprimé de combustion/explosion et l'air comprimé additionnel. 6 - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une bouteille tampon (10) est insérée entre les moyens (6 à 9) de fourniture d'air comprimé de combustion/explosition et d'air additionnel, et le ou les points d'introduction (1 1, 12) de cet air comprimé dans la ou les chambres de combustion (13) et de mélange (18). 7 - Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en que, pour un cylindre moteur (3), la chambre de mélange (18) est délimitée en partie supérieure par une culasse (5) , latéralement par la paroi du cylindre moteur (3) lui-même, et en partie basse par la tête du piston (4) placé dans le cylindre moteur (3) considéré, la culasse (5) comportant, en plus des soupapes (12, 15) d'entrée d'air de combustion et de sortie des gaz de combustion dans la chambre de combustion/explosion, au moins une soupape (17) pour l'entrée d'air additionnel dans ladite chambre de mélange (18), et au moins une soupape (19) de sortie des gaz et de l'air détendus à l'atmosphère. 8 - Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que la culasse (5) est réalisée en un matériau métallique à module d'élasticité élevé, en particulier en acier spécial. 9 - Moteur à combustion interne selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'une ventilation est prévue pour "balayer" la surface extérieure de la culasse (5), en cas de température élevée, notamment par utilisation d'un ventilateur de faible puissance.