Brevet FR2915517A1 — publié le 20081031

Moteur à combustion interne à refroidissement productif La présente invention concerne un moteur à combustion interne à refroidissement productif. Elle concerne plus précisément un tel moteur alternatif du type utilisé notamment dans les véhicules automobiles, muni d'un dispositif visant à augmenter son rendement, par récupération de la chaleur dégagée lors de la combustion. En ce sens, on peut parler de moteur à refroidissement productif. Habituellement la chaleur dégagée par la combustion du carburant est utilisée pour le chauffage de l'habitacle des véhicules ou dissipée dans l'atmosphère environnante par l'intermédiaire des organes de refroidissement. L'objet de la présente invention est donc de récupérer les calories dégagées lors de la combustion pour les convertir en une énergie susceptible de participer au mouvement du moteur. A cet effet, au lieu d'extraire les calories du moteur, on va chercher à les utiliser pour produire de la vapeur dans une ou plusieurs chambres périphériques au cylindre principal conventionnel de combustion. L'invention consiste donc en un moteur alternatif à combustion interne, à allumage par compression ou à allumage commandé comportant des pistons doubles, la partie interne de chaque piston étant mue de façon classique par la combustion du carburant selon un cycle à 4 temps ou à 2 temps, alors que la partie externe pouvant former une couronne est actionnée par la détente d'un fluide, qui peut être de l'eau ou de la vapeur. Le fluide ainsi injecté dans la chambre annulaire externe remplit deux fonctions : d'une part il assure le refroidissement de la chambre de combustion interne du cylindre, d'autre part il participe au mouvement du piston qui coulisse dans le cylindre principal. On voit donc que l'introduction et l'expansion du fluide, notamment sous forme de vapeur a pour but de refroidir la chambre de combustion tout en produisant du mouvement. Le refroidissement peut être basé sur un cycle à 2 temps : 35 injection/expansion puis échappement. On notera que le fluide injecté peut être déjà réchauffé par l'échappement, sauf au moment du démarrage. Le brevet US 4143518 décrit déjà des moteurs à combustion interne comportant au moins un piston et un cylindre comportant des moyens pour injecter et enflammer un mélange d'air et d'essence en vue d'assurer une première course du piston, des moyens pour assurer l'échappement des produits de la combustion hors du cylindre et des moyens pour injecter dans ledit cylindre de la vapeur ou de l'eau, en vue d'assurer une seconde course du piston, le perfectionnement de l'invention comprenant : des moyens définissant une chambre coaxiale au cylindre, lesdits moyens en vue d'assurer l'échappement des produits de la combustion étant arrangés de façon à diriger ces produits dans la chambre des moyens pour conduire la chaleur des produits de la combustion dans la 15 chambre jusqu'à la surface interne du cylindre un conduit d'échappement hors de la chambre. Une forme de réalisation est représentée sur la figure 1 de ce brevet. Ce dispositif vise à récupérer la chaleur en provenance des gaz d'échappement et à 20 convertir cette chaleur en travail utile et accessoirement à éliminer le système de refroidissement conventionnel des moteurs à combustion interne. Si les buts à atteindre peuvent apparaître comme étant globalement les mêmes, les moyens mis en oeuvre pour y arriver diffèrent totalement dans les deux 25 inventions. En effet, alors que le brevet US prévoit un piston conventionnel coulissant dans un cylindre entouré par une chambre coaxiale recevant les gaz d'échappement chauds, la présente invention se situe dans un contexte technique 30 différent, qui consiste en un double piston dont la partie interne remplit la fonction habituelle connue selon un cycle à 2 ou à 4 temps et dont la partie externe en forme de couronne coaxiale au cylindre est mue par la détente d'un fluide injecté dans une chambre annulaire entourant le cylindre, lui-même à double paroi, fonctionnant selon un cycle à 2 temps. 35 II est bien évident que le refroidissement adéquat de la partie interne est conditionné par l'équilibre entre les quantités de carburant consommées d'une part et la quantité de fluide (par exemple de l'eau ou de la vapeur) injectée d'autre part. On pourra alors isoler thermiquement le moteur du milieu extérieur afin de limiter les pertes calorifiques et utiliser ainsi mieux la chaleur de combustion. Toujours, dans le but de limiter les pertes calorifiques et dans le cas de l'utilisation d'eau comme fluide de refroidissement, on pourra réaliser un croisement de l'ensemble des fluides entrants (air, eau ou vapeur de refroidissement) et sortants (gaz d'échappement, vapeur) au sein d'échangeurs thermiques. De tels échangeurs seront dimensionnés de façon à assurer la condensation de la vapeur issue de la combustion ainsi que de celle produite pour le refroidissement de la chambre de combustion interne. Il s'en suit que l'eau utilisée n'est pas considérée comme un fluide consommable puisqu'elle pourra être réutilisée. Le moteur à combustion interne selon la présente invention apporte les avantages suivants : Son rendement thermique est bien supérieur à celui des moteurs à 20 combustion interne actuels, sa consommation en carburant se trouvant fortement réduite. Par voie de conséquence, les émissions de CO2 sont moindres. 25 Ce moteur ne nécessite plus de circuit et d'organes de refroidissement annexes, d'où plus de durites ni de radiateur pouvant présenter des risques de faiblesse. On s'affranchit donc du système de refroidissement qui est improductif et encombrant. 30 Enfin, dans ce moteur, qui peut être considéré comme un moteur hybride diesel/vapeur ou hybride essence/vapeur, les impératifs quant au dimensionnement et à la forme des chambres de combustion ne sont plus aussi essentiels que dans un moteur classique, puisque les pertes d'énergie sous forme de production de chaleur, dues aux frottements et à l'imperfection des cylindres ou d'autres organes 35 essentiels, ne sont plus à redouter, la chaleur produite étant recyclée. En termes d'applications, le moteur selon l'invention peut concurrencer le moteur thermique dans toutes ses applications, les débouchés les plus évidents concernant le secteur de l'automobile. Ainsi, la présente invention a pour objet un moteur à combustion interne à refroidissement productif comportant des moyens de refroidissement de la chambre de combustion par l'intermédiaire de fluides en périphérie (pouvant être de l'eau ou de la vapeur d'eau), lesdits moyens de refroidissement participant en outre à l'entraînement du vilebrequin, et des moyens de traitement thermique des fluides. Plus précisément, la présente invention a pour objet un moteur à combustion interne à refroidissement productif comportant des moyens de refroidissement de la chambre de combustion par l'intermédiaire de fluides en périphérie (pouvant être de l'eau ou de la vapeur d'eau), tout en participant au mouvement du piston dans le cylindre, et des moyens de traitement thermique des fluides. Ainsi, de manière avantageuse, les moyens de refroidissement sont utilisés à la fois pour refroidir de manière classique le moteur mais ce refroidissement est avantageusement converti en énergie d'entraînement du vilebrequin, notamment de manière préférée en participant à l'entraînement du piston qui agit dessus. Selon une caractéristique de l'invention, la structure des moyens de refroidissement de la chambre de combustion consiste en la combinaison d'un cylindre double composé d'une paroi cylindrique interne et d'une paroi cylindrique externe, associé à un piston double composé d'une partie cylindrique coulissant dans le volume délimité par la paroi cylindrique interne et d'une partie cylindrique annulaire externe coulissant dans le volume délimité par les parois de la chambre annulaire externe du cylindre double. Selon une autre caractéristique de l'invention, les fluides des moyens de refroidissement circulent dans la chambre annulaire externe sous la commande d'au moins un dispositif d'injection du fluide de refroidissement et d'ouverture et de fermeture d'au moins une soupape d'échappement selon un cycle alternatif tel qu'à 2 temps, à 4 temps. Selon une autre caractéristique de l'invention, en partie haute de la chambre de combustion débouchent une tubulure d'admission d'air ou de mélange air/carburant, une tubulure d'échappement des gaz brûlés, des dispositifs d'injection du carburant s'il y a lieu, tandis qu'en partie haute de la chambre annulaire externe débouchent au moins un dispositif d'injection de fluide de refroidissement et au moins une tubulure de sortie dudit fluide. Selon une autre caractéristique de l'invention, la structure des moyens de traitement thermique des fluides consiste en la combinaison d'une tubulure hélicoïdale (ou serpentin) enroulée autour de la paroi externe de la chambre annulaire externe précitée et d'une tubulure hélicoïdale double formée par la continuité de la tubulure hélicoïdale précédente, entourant une tubulure hélicoïdale concentrique dans laquelle circule de l'air, assurant des échanges thermiques entre les gaz chauds et l'air en circulation à contre-courant. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les gaz d'échappement, l'air et le fluide de refroidissement circulant dans la chambre annulaire traversent des échangeurs thermiques où s'effectuent les échanges de chaleur entre gaz d'échappement chauds, air frais et fluide de refroidissement injecté dans la chambre annulaire précitée. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les gaz d'échappement refroidis dans l'échangeur thermique et l'air frais à destination de l'échangeur thermique traversent un compresseur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble des organes du moteur à combustion et des moyens de traitement des fluides sont contenus, de préférence dans une enceinte étanche isotherme sous vide, les parties métalliques du cylindre et les organes annexes de liaison et d'échanges thermiques étant protégés par des isolants. D'autres particularités, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, d'une forme de réalisation basée sur un cycle diesel à 4 temps, donnée à titre d'exemple indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 est une vue en coupe axiale du cylindre à piston double, ainsi que des organes annexes d'admission, d'échappement, et d'injection des fluides divers. La figure 2 est une vue représentant l'implantation des soupapes d'échappement et des moyens d'admission des fluides au niveau de la chambre annulaire de refroidissement, celle des soupapes d'admission d'air et d'échappement des gaz de combustion au niveau de la chambre de combustion n'ayant pas été représentée pour des raisons de clarté. IO La figure 3 est une vue d'ensemble du même cylindre, représentant les connexions avec les composants externes assurant le fonctionnement du système de refroidissement productif d'énergie par récupération des calories dégagées par la combustion du carburant. Si l'on se reporte à la figure 1, on peut voir un cylindre double comportant une paroi cylindrique interne 1 a définissant une chambre de combustion 1 de type classique dans les moteurs à quatre temps et une paroi cylindrique externe 1 b définissant une chambre annulaire 2 de refroidissement. 20 Pareillement, on peut voir un piston double comportant une tête cylindrique 3 de type classique dont la paroi cylindrique interne 3a coulisse dans la chambre de combustion 1, raccordée à sa base à une paroi cylindrique annulaire externe 3b qui coulisse dans la chambre annulaire 2 de refroidissement. En partie haute de la chambre de combustion débouchent une tubulure d'admission 4 d'air, une tubulure d'échappement 5 des gaz brûlés, un dispositif d'injection 7 du carburant. 30 On a représenté sous forme schématique les soupapes d'admission 8 et d'échappement 9 que l'on trouve dans toute chambre de combustion de type classique. En partie haute de la chambre annulaire de refroidissement, on a représenté 35 un dispositif d'injection 11 de fluide de refroidissement (qui peut être de l'eau ou de la vapeur) tel qu'une soupape, un injecteur, et la ou les soupapes d'échappement 6 15 25 vers le ou les conduits 10 d'échappement du fluide (encore appelé un collecteur de sortie du fluide de refroidissement.) Pour des raisons de clarté, on n'a pas représenté les dispositifs 5 d'actionnement à l'ouverture et à la fermeture des différentes soupapes. On distingue donc deux organes participant au déplacement du piston double : la chambre de combustion 1 de type classique et la chambre annulaire 2 de refroidissement. La tête du piston 3 s'articule sur une bielle 12, solidaire du vilebrequin 13. Si l'on se reporte à la figure 2, on peut voir l'implantation en alternance des systèmes d'admission 11 et des conduits d'échappement 10 en tête de la chambre 15 annulaire 2 de refroidissement, la paroi cylindrique interne la de la chambre de combustion 1 et la paroi cylindrique externe lb de la chambre annulaire 2 de refroidissement. On a fait figurer les soupapes d'échappement 6 du fluide de refroidissement qui sont implantées dans l'axe des tubulures d'échappement 10. 20 Si l'on se reporte à la figure 3 on retrouve le cylindre double, dont les parois interne la et externe lb définissent la chambre axiale de combustion 1 et la chambre annulaire de refroidissement 2. Pareillement, on voit le piston double composé d'une partie cylindrique 25 interne 3a coulissant dans la chambre de combustion axiale 1 et d'une partie cylindrique externe 3b coulissant dans la chambre annulaire de refroidissement 2. On retrouve de même les tubulures d'admission 4 et d'échappement 5, le collecteur de sortie 10 de vapeur, le dispositif d'injection de carburant 7 et les 30 soupapes d'admission 8 et d'échappement 9 des gaz. Au niveau de la chambre annulaire, on peut voir un dispositif d'injection 11 du fluide ainsi qu'une soupape 6 et le conduit 10 d'échappement du fluide après expansion. La tubulure d'échappement 5 des gaz de combustion en partie haute du 35 cylindre s'enroule hélic:oïdalement en 5a autour de la paroi externe lb de la chambre annulaire 2. Ceci permet aux gaz d'échappement de céder une partie de 10 leur chaleur à la paroi 1 b. Cette chaleur pourra être utilisée pour l'expansion du fluide de refroidissement. En partie basse de l'enroulement, la tubulure remonte à la verticale en 5b en forme de crosse pour venir chemiser une autre tubulure hélicoïdale 4a dans laquelle circule de l'air qui est dirigé à travers la tubulure 4 vers l'admission en point haut de la chambre de combustion. Cet air se réchauffe au cours de son passage à contre-courant dans la tubulaire hélicoïdale (ou serpentin) dont le volume interne est parcouru par ledit air et le volume externe est parcouru par les gaz d'échappement chauds. Les gaz d'échappement chauds, l'air et le fluide provenant de la tubulure 10 circulent dans des échangeurs thermiques 14 représentés sous forme symbolique. Le fluide et les gaz d'échappement chauds et l'air frais pénètrent dans les échangeurs par des tubulures respectivement 10, 5b et 4b. L'air chaud, les gaz d'échappement refroidis et le fluide en partie condensé ressortent des échangeurs par des tubulures respectivement 4a, 5c et 10b. Les gaz d'échappement refroidis sont dirigés vers un compresseur 15, qui 20 délivre l'air frais à destination des échangeurs. Les divers organes représentés sur la figure 3 sont contenus dans une enceinte isotherme étanche 16 où règne le vide. Les parties métalliques telles que les parois latérales du cylindre, les divers organes chemisant le vilebrequin et la 25 partie regroupant les diverses soupapes et tubulures en partie haute du cylindre sont recouvertes de pièces isolantes 17. L'ensemble des dispositifs de commande des soupapes et des injecteurs des différents cylindres, qui ne sont pas caractéristiques de l'invention, sont 30 représentés sous forme symbolique en 18. Le fonctionnement du moteur à combustion interne à refroidissement productif selon l'invention est le suivant : 35 L'inflammation du carburant injecté dans la chambre de combustion 1 provoque le déplacement du piston double 3 vers le bas. Parallèlement, l'injection et15 l'expansion de fluide (par exemple de l'eau ou de la vapeur d'eau) sous pression dans la chambre annulaire 2 exerce une pression sur la partie annulaire 3b du piston double et coopère au déplacement du piston et assure un refroidissement des parois du cylindre double. A la remontée du piston, la soupape d'échappement 9 s'ouvre, les soupapes d'échappement 6 du fluide s'ouvrent vers la conduite d'échappement 10 et le fluide est repoussé vers les échangeurs thermiques. Les autres fluides : gaz d'échappement et air transitent de même à travers les échangeurs thermiques et des serpentins 4a, 5a pour traitement. Lorsque le piston double arrive au point mort haut, les soupapes d'échappement de fluide et de gaz brulés 9 vers la tubulure 5 se ferment alors que la soupape d'amission d'air 8 vers la tubulare 4 s'ouvre. Suivant son élan, et sous l'impulsion d'une nouvelle introduction de fluide de refroidissement dans le cylindre annulaire, le piston redescend. Le cylindre central 1 se remplit alors d'air, dans le cylindre périphérique, a lieu l'expansion du fluide de refroidissement. Lors de dernière phase, le piston remonte et chasse la vapeur produite dans 20 le cylindre annulaire (soupape 6 ouverte) et compresse l'air dans la chambre 1 en vue d'un nouveau cycle de combustion. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à la seule forme de réalisation ci-dessus, décrite et représentée, à titre indicatif et non limitatif, à 25 laquelle on peut apporter de nombreuses modifications dans les détails de réalisation sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Revendications 1- Moteur à combustion interne à refroidissement productif, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de refroidissement de la chambre de combustion par l'intermédiaire de fluides en périphérie, participant en outre à l'entraînement du vilebrequin. 2- Moteur à combustion interne à refroidissement productif, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de refroidissement de la chambre de combustion par l'intermédiaire des fluides en périphérie tout en participant au mouvement du piston dans le cylindre et des moyens de traitement thermique de ces fluides. 3-Moteur à combustion interne à refroidissement productif, selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la structure des moyens de refroidissement de la chambre de combustion consiste en la combinaison d'un cylindre double composé d'une paroi cylindrique interne (la) et d'une paroi cylindrique externe (lb), associé à un piston double composé d'une partie cylindrique (3a) coulissant dans le volume délimité par la paroi cylindrique (la) et d'une partie cylindrique annulaire externe (3b) coulissant dans le volume délimité par les parois (1a) et (lb) de la chambre annulaire externe (2) du cylindre double. 4-Moteur à combustion interne à refroidissement productif, selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les fluides des moyens de refroidissement circulent dans la chambre annulaire (2) sous la commande d'injection du fluide de refroidissement et, d'ouverture et de fermeture d'au moins une soupape d'échappement (6) selon un cycle alternatif tel qu'à 2 temps. 5-Moteur à combustion interne à refroidissement productif, selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé par le fait qu'en partie haute de la chambre de combustion (1) débouchent au moins une tubulure d'admission d'air (4), au moins une tubulure d'échappement (5) des gaz brûlés, éventuellement un dispositif d'injection (7) du carburant et qu'en partie haute de la chambre annulaire (2) débouchent au moins une tubulure de sortie (10) de fluide de refroidissement et au moins un dispositif d'injection (11) de fluide.35 6-Moteur à combustion interne à refroidissement productif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que la structure des moyens de traitement thermique des fluides consiste en la combinaison d'une tubulure hélicoïdale (5a) (ou serpentin) enroulée autour de la paroi externe (lb) de la chambre annulaire (2), d'une tubulure hélicoïdale double formée par la continuité (5b) de la tubulure (5a) entourant une tubulure hélicoïdale (4a) concentrique dans laquelle circule de l'air, assurant des échanges thermiques entre les gaz d'échappement chauds et l'air en circulation à contre-courant. 7-Moteur à combustion interne à refroidissement productif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les gaz d'échappement, l'air et le fluide de refroidissement circulant dans la chambre annulaire traversent des échangeurs thermiques (14) où s'effectuent les échanges de chaleur entre gaz d'échappement chauds, air frais et fluide de refroidissement injecté dans la chambre annulaire. 8-Moteur à combustion interne à refroidissement productif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le fluide de refroidissement est de l'eau ou de la vapeur d'eau. 9-Moteur à combustion interne à refroidissement productif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les gaz d'échappement refroidis dans l'échangeur thermique et l'air frais à destination de l'échangeur thermique traversent un compresseur (15). 10-Moteur à combustion interne à refroidissement productif selon les revendications 2 à 9, caractérisé par le fait que l'ensemble des organes du moteur à combustion et des moyens de traitement des fluides sont contenus dans une enceinte étanche isotherme sous vide (16), les parties métalliques du cylindre et les organes annexes de liaison et d'échanges thermiques étant protégés par des isolants.