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WO2007113403A1 - Systeme de transformation de l'energie thermique des moteurs a combustion interne en electricite (turbidyn) - Google Patents

Systeme de transformation de l'energie thermique des moteurs a combustion interne en electricite (turbidyn) Download PDF

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WO2007113403A1
WO2007113403A1 PCT/FR2007/000575 FR2007000575W WO2007113403A1 WO 2007113403 A1 WO2007113403 A1 WO 2007113403A1 FR 2007000575 W FR2007000575 W FR 2007000575W WO 2007113403 A1 WO2007113403 A1 WO 2007113403A1
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turbine
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engine
heat exchanger
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Nicolas Ugolin
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Electricity generation is provided by an electric generator (dynamo or alternator) driven by the engine.
  • This device can be used:
  • v ⁇ As a power generator for charging or recharging the batteries of a hybrid (electric / thermal) vehicle during the phase in which the internal combustion engine is running more quickly and without additional energy costs.
  • the internal combustion engine of the hybrid propulsion can be of any kind and operate with any type of fuel.
  • the process can be used for the purpose of cogeneration of an electric current.
  • the method comprises:
  • the fluid in the form of steam is directed through a hose or a rigid pipe to the upper tank of a radiator.
  • the air circulating between the radiator tubes cools the water vapor that condenses into liquid during migration.
  • the cooled fluid is recovered in the lower tank and can then restart a cycle through the engine.
  • the operating temperature of the engine may not be sufficient to produce, during the cooling cycle of the engine, the steam required to drive the steam turbine or gas. This problem is solved by another embodiment.
  • This embodiment consists in recovering the cooling fluid after its circulation through the water chimneys of the engine block, from which it exits in vapor form (or a heated liquid temperature above 7O 0 C), then to direct it and to circulate it in a heat exchanger 16 which operates with the exhaust gas at the output of the engine.
  • the exchanger will consist of two metal pipes (brass, steel, copper, iron, titanium alloy, nickel alloy, aluminum, aluminum oxide, ceramic ...) placed on a fairly long length (5 to 50 cm ) to another pipe made of these same materials.
  • the cooling fluid circulates in a pipe Fig2A 17, 34 and the exhaust gases circulate in the second Fig2A 32, 33. While circulating, the exhaust gases heat the cooling fluid through the walls of the pipes by providing the energy required to effect the change of liquid phase to the vapor phase of the cooling fluid and / or to increase the temperature of cooling fluid in vapor form.
  • the heat exchanger will consist of two metal pipes (brass, steel, iron, copper, titanium alloy, nickel alloy, aluminum, aluminum oxide, ceramic ...) nested one in the other on 5 to 50 cm in length.
  • the cooling fluid will circulate in the inner pipe Fig2B 31, 34 while the exhaust gases will circulate around in the outer pipe Fig2B 32, 33.
  • the exhaust gas While circulating around the inner pipe of the cooling fluid, the exhaust gas provides the energy necessary to effect the change of the liquid phase to the vapor phase of the cooling fluid and / or to increase the temperature of the cooling fluid in vapor form.
  • the vapor-shaped cooling fluid is directed to the inlet of the gas turbine described in paragraph A-2 to perform steps A-2 and A-3 successively.
  • the size of the pipes will eventually be adjusted to limit overheating of the coolant vapors (between 150 and 300 ° C.) in order to allow, on the one hand, easier condensation and cooling of the steam in the radiator, and on the other hand, the use of less expensive materials to achieve the turbine and the alternator or dynamo coupled.
  • suitable alloys nickel, titanium, aluminum oxide
  • the gases and vapors used can reach more than 300 ° C. (typically between 800 and 1000 ° C.).
  • the exhaust gas flow pipe may be the inner pipe, this allows less heating of the water vapor.
  • the heat exchanger will consist of a central pipe Fig3A 35 in which the exhaust gases circulate. This pipe will be surrounded by a spiral pipe 36 in which water or water vapor circulates. The role of the two pipes can be reversed, the water circulating in the central pipe and the exhaust gases in the spiral.
  • the exchanger will consist of a central pipe Fig3B 35 in which the exhaust gas circulates This pipe will be surrounded by a set of pipes together forming a rosette (typically a rosette with seven pipes) Fig3B 37 In the central pipe circulate the exhaust gases.
  • the tubes of the rosette are interconnected by Fig3B 38 pole hoses, so that water or water vapor can circulate alternately in each of them by accumulating the heat of the exhaust gases, thus increasing the energy of the water or the water vapor and allowing the liquid / vapor transition.
  • one of the tubes of the rosette described in E is independent of the other Fig439.
  • fuel pipe the engine 40 fuel (gasoline, diesel, oil, alcohol, etc.) flows. Under the action of the heat of the exhaust gas, the circulating fuel undergoes a liquid / vapor transition. The fuel vapors 41 are then directed to one of the inputs of a steam / fuel vapor mixer 43, where another part of the water vapor produced in the other fuel pipes also arrives at the other inlet. the rosette of the exchanger through a bifurcation 42 of the outlet pipe of the rosette.
  • the two inputs of the steam / fuel vapor mixer are controlled by solenoid valves 45 which allow the mixer inlets to be opened or closed according to the desired steam / steam mixture.
  • the mixer is extended by a reactor tube 46 having a radius of between 0.5 centimeters and 5.5 centimeters and a length of between 1 centimeter and 1 meter Fig. 3bis 7bis, possibly comprising at its center a magnetic bar 47 with a radius of between 0.45 centimeters and 5 centimeters. and of length between 1 centimeter and 1 meter.
  • the magnetic bar will have a magnetic field between 0.2 and 50 teslas oriented parallel or perpendicular to the main axis of the magnetic bar.
  • the reactor pipe may have all possible topologies reducing its size.
  • the reactor pipe will be placed in the center of a another pipe where the exhaust gas circulates 48, so that the assembly is heated to a temperature above 2007 5 C (between 200 ° C and 1000 0 C).
  • the reactor will preferably be arranged upstream of the heat exchanger with respect to the direction of flow of the exhaust gases.
  • the steam-mixed fuel vapors will undergo cracking, decomposing it into more reactive sub-elements such as, for example, hydrogen / oxygen (activated vapor mixture) 49 explosion of greater intensity.
  • the vapor mixture is injected into the engine cylinders during the compression / expansion cycle of the engine, either by direct injection or after being mixed with air through a carburettor or a supercharger. air.
  • the activated vapor mixture increases the efficiency of the engine by producing a greater explosion in the engine cylinders, and thus increases the kinetic energy of the exhaust gases produced for less fuel consumption.
  • the efficiency of the heat exchanger and the turbines fueled by the produced steam and the exhaust gases will be increased for less consumption of the engine.
  • the fuel vapors leaving the fuel pipe of the heat exchanger described in F are injected into the cylinders of the combustion engine during the engine cycle, either by direct injection or after having been mixed with air through a carburetor or air compressor.
  • the exhaust gas is directed to the inlet 19 of a second gas turbine (one or more stages) coupled To the first turbine by a common axis 22.
  • the exhaust gas is then directed to the relaxation of the exhaust pipe to be released into the atmosphere.
  • the turbine system can be coupled by a common axis to the alternator or dynamo generator current.
  • the axis of the turbine may be provided with a conical pulley.
  • the axes of the turbine and the electric generator are connected by a belt passing on a conical polie Fig6 50.
  • the belt is at the bottom of the conical pulley Fig6A, the work to be done to rotate the axis of the generator is the weakest.
  • the turbine gains energy, the belt goes up along the conical pulley Fig6B, increasing the rotational speed of the generator, so the amount of current produced.
  • the belt is held taut by a spring disposed between the turbine and the current generator which moves them away from each other 51.
  • the fluid driving the gas turbine may be distinct from the cooling fluid.
  • the fluid driving the gas turbine will have its own circuit.
  • the fluid driving the turbine will be injected into a heat exchanger as described in paragraphs B, C, D, E and D by means of either a pump driven by the heat engine, or an electric pump, or a pump driven by the gas turbine system.
  • the steam generated at the outlet of the heat exchanger will be directed to the inlet of a gas turbine to drive the axis of the turbine coupled to the electric generator (alternator or dynamo).
  • the fluid in vapor form will be directed to its own radiator to be condensed in liquid to start a cycle again.
  • elements of the cooling circuit (coolant circulation pump, radiator, pipes and hoses) would be completely or partially shared (pooled) with the circuit involving the turbine. gas coupled to the alternator or the dynamo.
  • the gas turbine is driven solely by the exhaust gases of the engine.
  • the exhaust gases are directed by hoses or pipes at the inlet of a gas turbine, thus allowing to drive alone the rotor of the turbine, coupled to an electric generator.
  • the exhaust gases lead to a very large rise in the temperature of the system (alternator turbine) which can reach 900 ° C.
  • This embodiment causes a significant constraint for the realization of the alternator which must can withstand this temperature.
  • a solution adopted is to introduce on the common axis coupling the turbines and the generator a junction material weakly thermally conductive, such as ceramics, Kapton, polyimide ... In addition, the junction will be cooled by a circulation of oil .
  • two turbines are connected by a common axis 22.
  • the first turbine operates from the water vapor from the cooling chimneys of the engine and the heat exchanger (cooling water /exhaust gas).
  • the second turbine operates from the exhaust gas after passing through the heat exchanger.
  • the common axis of the two turbines is cooled by an oil circuit which is used to transmit the movement produced by the turbines to an electric generator (alternator or dynamo) 30, and possibly to an air compressor 29 mounted on an axis common to that of the dynamo or the alternator.
  • a cavity (turbine axis cavity) 25, 26 is arranged around the axis connecting the two turbines; this cavity comprises two orifices, below and above the axis, allowing the entry and exit of the oil (or other cooling fluid).
  • the portion of the axis included in this cavity is provided with small blades (fins) 13 or an endless screw allowing, when the axis rotates, to suck the oil through one of the orifices (for example upper) and to push it back into the other orifice (for example the lower orifice).
  • the orifice through which the oil is discharged is connected to a similar cavity (alternator shaft cavity) 27, 28 which surround a portion of the axis of the dynamo or the alternator possibly coupled to a compressor.
  • This second cavity also has two orifices above and below the dynamo or alternator axis, so that the upper orifice of this cavity interconnects the two cavities 26, 27.
  • the axis of the dynamo or alternator which is enclosed in the cavity comprises small blades or fins 13 which can cause this axis.
  • the oil is then removed from the alternator shaft cavity through its lower orifice.
  • the oil then travels through a hose or hose to the inlet of an oil cooler where it cools.
  • the oil is again sucked through the upper orifice of the cavity of the axis of the turbines through a pipe or a hose connecting the radiator outlet to the upper orifice of the cavity of the radiator. turbine axis.
  • the FIG. 852 exhaust gases are mixed with the water vapor FIG. 844 (produced at the outlet of the heat exchanger) in a single pipe. gas mixture 53 which feeds a single turbine single stage or multistage.
  • This turbine being coupled (optionally: hydraulic system, cardan system, a common axis, pulleys / belts) to an electric generator and possibly to an air compressor that injects air into the cylinders of an engine.
  • the steam / exhaust gas mixture is cooled and condensed in a Fig954 radiator.
  • the output of the radiator opens into the bottom of a water tank 55 surmounted by a cooling column 56, itself opening into the open air.
  • the cooled steam is found in the liquid state in the tank.
  • the liquid water recovered in the tank feeds the cycles of engine cooling and steam creation.
  • Other flue gases such as CO2 are largely dissolved as HCO3- in the reservoir water.
  • the cooling column consists of a pipe 10 to 100 centimeters long and 1 to 10 centimeters in radius surmounting the tank.
  • Around the column is spirally wound a small diameter pipe 57 (1 to 5 centimeters in diameter).
  • a small pump 59 draws water from the bottom of the tank, circulates it in the spiral pipe 57 to discharge it into the upper part of the tank 60, to which the other end of the tank is connected. spiral.
  • a Peltier resistor and / or a radiator 61 cool the water flowing in the spiral.
  • the circulation of water in the spiral pipe lowers the temperature of the cooling column, which greatly limits the evaporation of water while allowing the evacuation of undissolved gases.
  • the electricity necessary for the operation of these two devices is possibly produced by a thermocouple, for example between the exchanger and the reservoir and / or a small solar panel arranged for example on the vehicle body.
  • a thermocouple for example between the exchanger and the reservoir and / or a small solar panel arranged for example on the vehicle body.
  • an expansion tank Fig9 62 can be inserted between the radiator condensation and the gas outlet of the turbine.
  • the vase consisting of a container of a large volume (between 0.5 and 100 liters) will allow easier relaxation of water vapor after passing through the turbine.
  • TurbiDyn The processes and / or assemblies described in paragraphs A to N are grouped under the name TurbiDyn.
  • the TurbiDyn system can be used to generate electricity in a hybrid electric / internal combustion vehicle with electric / thermal propulsion or single electric propulsion.
  • a heat engine is located under the front hood of a car. This engine is combined with one of the TurbiDyn systems described in A to N.
  • the engine may possibly not have a starter.
  • the engine provides traction or propulsion of the car.
  • the TurbiDyn system recharges the batteries during the phases when the engine is running.
  • batteries nickel cadmium, nickel polymer or other type of batteries
  • Two electric motors can be integrated in the wheels of the same bridge of the vehicle, they provide propulsion or traction of the vehicle during the phases of electric motorization and participate in the motorization during the phases of mixed motorization.
  • the power supply of the electric motors is ensured by the batteries during the phases of electric motorization and during the phases of mixed motorization, by the batteries and the TurbiDyn system.
  • the speed of the different engines is provided by one or two automatic clutch boxes and a calculator.
  • the heat engine may for example be used to recharge exclusively the batteries of the vehicle.
  • the motor drives a current generator and the heat produced provides the energy necessary to drive the turbine system according to one of the combinations A to N of the TurbiDyn process.
  • the water tanks required to operate the TurbiDym system can be conveniently located in the hollow parts of the vehicle, such as bumpers or hollow bodywork.
  • Dynamo or alternator elements (magnet and / or coil and / or electromagnet) integral with the axis of rotation 7) Dynamo or alternator elements (magnet and / or coil and / or electromagnet) fixed
  • Heat exchanger 17 Supply of water or water vapor at the outlet of a cooling chimney of an internal combustion engine
  • Blades of the exhaust gas rotor driving the common axis of the two turbines 21) Blades of the water vapor rotor driving the common axis of the two turbines
  • Air compressor supplies a combustion engine with compressed air

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Abstract

Les moteurs à combustion interne, communément appelés moteurs à explosion, représentent le principal type de motorisation pour les véhicules moteurs terrestres, marins et une grande proportion des avions. Le rendement en travail d'un moteur à combustion" interne est de 30 à 40 % pour un moteur à essence, et de 40 à 50 % pour un moteur diesel. De plus, il n'excède pas en général 50% pour les autres types de carburants (huile, alcool, gaz,...). La majeure partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur. Une grande partie de la chaleur perdue se trouve au niveau des gaz d'échappement et du liquide de refroidissement dans le circuit de refroidissement des moteurs refroidis à l'eau ou par un autre fluide circulant. Cette chaleur représente une énergie potentielle importante transformable en électricité directement utilisable par un moteur électrique, couplé au moteur thermique, ou stockable dans des batteries. Cette invention consiste en un système permettant la transformation de l'énergie thermique produite par un moteur à combustion interne en électricité. Le système est constitué de turbines à gaz (a) fonctionnant avec de la vapeur d'eau (b) produite dans un échangeur thermique (c) à partir de l'eau de refroidissement des moteurs à combustion interne et des gaz d'échappement (d). La ou les turbines (a) sont couplées (e) à un générateur électrique (alternateur ou dynamo) qui produit le courant électrique.

Description

SYSTEME DE TRANSFORMATION DE L'ENERGIE THERMIQUE DES MOTEURS A COMBUSTION INTERNE EN ELECTRICITE (TURBIDYN) En raison du problème que représente la raréfaction des énergies fossiles et la pollution que génèrent leurs combustions, différents procédés de propulsion hybride moteur électrique/moteur à explosion voient le jour. Ces propulsions hybrides sont : v^ Soit mixtes : le moteur à explosion et le moteur électrique participent à la propulsion dans des proportions variables. Le moteur à explosion sert en plus à recharger les batteries, alimente le moteur électrique dans les phases où ce dernier fonctionne.
S Soit simples : seul le moteur électrique sert à la propulsion. Le moteur à explosion sert uniquement à alimenter les batteries et/ou directement un moteur électrique.
La production d'électricité est assurée par un générateur électrique (dynamo ou alternateur) entraîné par le moteur thermique.
De nombreux procédés cherchent à améliorer le rendement des moteurs à explosion, en modifiant la nature des carburants, soit chimiquement, soit par des mélanges de différents composés, notamment en ajoutant de l'eau dans des proportions variables à des hydrocarbures. Nous pouvons citer à ce titre le réacteur « Pantone» qui permet de produire à la volée un carburant, utilisable par pratiquement n'importe quel moteur à combustion interne, à partir d'un mélange d'eau et d'un hydrocarbure ou d'un autre type de chaîne carbonée. De même, nous pouvons citer les moteurs rotatifs capables de fonctionner avec une proportion d'eau dans son carburant afin d'améliorer le rendement du moteur.
Quelle que soit la nature du carburant et la conformation d'un moteur à combustion interne, la majeure partie de l'énergie est perdue sous forme calorifique. Nous proposons un procédé et un dispositif capables d'utiliser cette énergie calorifique pour produire du courant électrique à partir de la chaleur produite par un moteur à combustion interne.
Ce dispositif peut être utilisé :
S Comme générateur de courant pour l'alimentation des appareils électriques sur les véhicules motorisés par un moteur à combustion interne de n'importe quelle sorte pour n'importe quel type de carburant, dès qu'il y a perte de chaleur par le moteur, v^ Comme générateur de courant pour charger ou recharger plus rapidement et sans coût énergétique supplémentaire les batteries d'un véhicule à propulsion hybride (électrique/thermique) durant la phase où le moteur à combustion interne fonctionne. Le moteur à combustion interne de la propulsion hybride peut être de toute nature et fonctionner avec tout type de carburant.
S Dans un groupe électrogène animé par un moteur à combustion interne.
D'une manière générale, le procédé peut être utilisé dans le but d'une cogénération d'un courant électrique. Principe de fonctionnement
A - Dans ce mode de réalisation Figl, le procédé consiste à :
1) Récupérer dans une durite ou un tuyau rigide, le fluide de refroidissement après sa circulation à travers les cheminées d'eau du bloc-moteur, d'où il sort sous forme vapeur.
2) Diriger le fluide de refroidissement par l'intermédiaire de la durite ou du tuyau rigide 1 à l'entrée d'une turbine à gaz à un étage ou plusieurs étages 4, reliée par un arbre (axe de rotation) commun 5 avec un alternateur ou une dynamo 9, 14. La turbine transforme l'énergie de la vapeur d'eau en sortie du bloc-moteur en énergie de rotation qui sera transformée en courant électrique continu ou alternatif par un générateur électrique (la dynamo ou l'alternateur ) qui tourne entraîné par la turbine.
3) En sortie de turbine 3, le fluide sous forme de vapeur est dirigé à travers une durite ou un tuyau rigide au réservoir supérieur d'un radiateur. L'air qui circule entre les tubes du radiateur refroidit la vapeur d'eau qui se condense en liquide durant la migration. Le fluide refroidi est récupéré dans le réservoir inférieur et peut alors recommencer un cycle à travers le moteur.
Selon le type de moteur thermique, la température de fonctionnement du moteur peut ne pas être suffisante pour produire, au cours du cycle de refroidissement du moteur, la vapeur nécessaire pour entraîner la turbine à vapeur ou à gaz. Ce problème est résolu par un autre mode de réalisation.
B - Ce mode de réalisation consiste à récupérer le fluide de refroidissement après sa circulation à travers les cheminées d'eau du bloc-moteur, d'où il sort sous forme vapeur (ou d'un liquide très échauffé de température supérieure à 7O0C ), puis à le diriger et à le faire circuler dans un échangeur thermique 16 qui fonctionne avec les gaz d'échappement en sortie du moteur. L' échangeur sera constitué de deux tuyaux de métal (laiton, acier, cuivre, fer, alliage de titane, alliage de nickel, aluminium, oxyde d'aluminium, céramique ... ) accolés sur une longueur assez importante (5 à 50 cm) à un autre tuyau constitué de ces mêmes matériaux. Le fluide de refroidissement circule dans un tuyau Fig2A 17, 34 et les gaz d'échappement circulent dans le deuxième Fig2A 32, 33. En circulant, les gaz d'échappement échauffent le fluide de refroidissement à travers les parois des tuyaux en apportant l'énergie nécessaire pour réaliser le changement de phase liquide vers la phase vapeur du fluide de refroidissement et/ou permettre d'augmenter la température de fluide de refroidissement sous forme vapeur.
C - Dans une autre configuration, l' échangeur thermique sera constitué de deux tuyaux de métal (laiton, acier, fer, cuivre, alliage de titane, alliage de nickel, aluminium, oxyde d'aluminium, céramique ...) emboîtés l'un dans l'autre sur 5 à 50 cm de longueur. Le fluide de refroidissement circulera dans le tuyau intérieur Fig2B 31, 34 alors que les gaz d'échappement circuleront autour dans le tuyau extérieur Fig2B 32, 33. En circulant autour du tuyau intérieur du fluide de refroidissement, les gaz d'échappement apportent l'énergie nécessaire pour réaliser le changement de la phase liquide vers la phase vapeur du fluide de refroidissement et/ou permettre d'augmenter la température du fluide de refroidissement sous forme vapeur. En sortie de l'échangeur, le fluide de refroidissement sous forme de vapeur est dirigé vers l'entrée de la turbine à gaz décrite au paragraphe A-2 pour effectuer les étapes A-2 et A-3 successivement. La taille des tuyaux sera éventuellement réglée pour limiter un trop grand échauffement des vapeurs du fluide de refroidissement (entre 150 et 300 0C) afin de permettre d'une part, une condensation et un refroidissement plus aisé de la vapeur dans le radiateur et d'autre part, l'utilisation de matériaux moins onéreux pour réaliser la turbine et l'alternateur ou la dynamo couplés. Toutefois, en utilisant des alliages convenables (nickel, titane, oxyde d'aluminium), les gaz et les vapeurs utilisés peuvent atteindre plus de 3000C (typiquement entre 800 et 1000°C). Dans certaines configurations, le tuyau de circulation du gaz d'échappement peut être le tuyau interne, ceci permet un échauffement moins important de la vapeur d'eau.
En sortie de réchangeur, les gaz d'échappement sont dirigés vers la détente du pot d'échappement pour être libérés dans l'atmosphère. D- Dans une autre configuration l'échangeur thermique sera constitué d'un tuyau central Fig3A 35 dans lequel circulent les gaz d'échappement. Ce tuyau sera entouré par un tuyau en spirale 36 dans lequel circule l'eau ou la vapeur d'eau. Le rôle des deux tuyaux peut être inversé, l'eau circulant dans le tuyau central et les gaz d 'échappement dans la spirale. E- Dans une autre configuration, l'échangeur sera constitué d'un tuyau central Fig3B 35 dans lequel circulent les gaz d'échappement Ce tuyau sera entouré par un ensemble de tuyaux accolés formant une rosette (typiquement une rosette à sept tuyaux) Fig3B 37. Dans le tuyau central circulent les gaz d 'échappement . Les tuyaux de la rosette sont reliés entre eux par des tuyaux en arceaux Fig3B 38, de sorte que l'eau ou la vapeur d'eau peut circuler alternativement dans chacun d 'entre eux en accumulant la chaleur des gaz d'échappement, augmentant ainsi l'énergie de l'eau ou de la vapeur d'eau et permettant la transition liquide/vapeur.
F- Dans un autre mode de réalisation, un des tuyaux de la rosette décrite en E est indépendant des autres Fig439 . Dans ce tuyau indépendant, appelé « tuyau de carburant », circule le carburant d'alimentation du moteur 40 (essence, gasoil, huile, alcool ... ). Sous l'action de la chaleur des gaz d'échappement, le carburant circulant subit une transition liquide/vapeur. Les vapeurs de carburant 41 sont dirigées alors à une des entrées d'un mélangeur vapeur de carburant /vapeur d'eau 43 où arrive également, par une l'autre entrée, une partie de la vapeur d'eau produite dans les autres tuyaux de la rosette de l'échangeur grâce à une bifurcation 42 du tuyau de sortie de la rosette. Les deux entrées du mélangeur vapeur de carburant /vapeur d'eau sont contrôlées par des électrovannes 45 qui permettent d'ouvrir ou de fermer les entrées du mélangeur selon le mélange vapeur de carburant/vapeur d'eau souhaité. Le mélangeur est prolongé par un tuyau-réacteur 46 de rayon compris entre 0.5 centimètre et 5.5 centimètres et de longueur compris entre 1 centimètre et 1 mètre Fig3bîs 7bis, comprenant éventuellement en son centre un barreau magnétique 47 de rayon compris entre 0.45 centimètre et 5 centimètres et de longueur comprise entre 1 centimètre et 1 mètre. Le barreau magnétique aura un champ magnétique compris entre 0.2 et 50 teslas orienté parallèlement ou perpendiculairement à l'axe principal du barreau magnétique. Le tuyau-réacteur pourra avoir toutes les topologies possibles diminuant son encombrement. Le tuyau-réacteur sera disposé au centre d'un autre tuyau où circulent les gaz d'échappement 48, de sorte que l'ensemble soit porté à une température supérieure à 20075C (entre 200°c et 10000C). Le réacteur sera disposé de préférence en amont de l'échangeur thermique par rapport au sens de circulation des gaz d'échappement. Sous l'action de la chaleur, les vapeurs de carburant mélangées à la vapeur d'eau subiront un craquage, le décomposant en des sous-éléments plus réactifs tels que par exemple hydrogène/oxygène (mélange de vapeurs activées) 49 avec un pouvoir d'explosion d'une intensité plus importante. Le mélange de vapeurs est injecté dans les cylindres du moteur à explosion lors du cycle compression/détente du moteur, soit par injection directe, soit après avoir été mélangé à de l'air par le biais d'un carburateur ou d'un compresseur à air.
Le mélange de vapeurs activées permet d'augmenter le rendement du moteur en produisant une explosion plus intense dans les cylindres du moteur, et de ce fait augmenter l'énergie cinétique des gaz d'échappement produits pour une consommation moindre de carburant. Le rendement de l'échangeur thermique et des turbines alimentées par la vapeur d'eau produite et les gaz d'échappement sera accru pour une consommation moindre du moteur.
G- Dans un autre mode de réalisation, les vapeurs de carburant sortant du tuyau de carburant de l'échangeur thermique décrit en F sont injectées dans les cylindres du moteur à explosion lors du cycle du moteur, soit par injection directe, soit après avoir été mélangé à de l'air par le biais d'un carburateur ou d'un compresseur à air.
H- Pour améliorer encore le rendement, en sortie de l'échangeur thermique ou du tuyau entourant le réacteur 48 , les gaz d'échappement sont dirigés à l'entrée 19 d'une deuxième turbine à gaz (à un ou plusieurs étages) couplée à Ia première turbine par un axe commun 22. En sortie de turbine, les gaz d'échappement sont alors dirigés vers la détente du pot d'échappement pour êtres libérés dans l'atmosphère. Le système de turbines peut être couplé par un axe commun à l'alternateur ou à la dynamo génératrice de courant. Toutefois, pour des raisons d'encombrement, il est préférable d'assurer le couplage entre l'axe commun des turbines et celui du générateur électrique par des procédés moins encombrants, tels que des cardans ou par un système de poulies et de courroies. Notamment l'axe de la turbine pourra être muni d'une poulie conique. Les axes de la turbine et du générateur électrique sont reliés par une courroie passant sur une polie conique Fig6 50. Au démarrage de la turbine, la courroie se trouve en bas de la poulie conique Fig6A, le travail à fournir pour faire tourner l'axe du générateur est le plus faible. En accélérant, la turbine gagne en énergie, la courroie remonte le long de la poulie conique Fig6B, augmentant la vitesse de rotation du générateur, donc la quantité de courant produit. La courroie est maintenue tendue grâce à un ressort disposé entre la turbine et le générateur de courant qui les écarte l'un de l'autre 51.
I- Dans certains modes de réalisation, le fluide entraînant la turbine à gaz pourra être distinct du fluide de refroidissement. Dans ce cas, le fluide entraînant la turbine à gaz aura son propre circuit. Le fluide entraînant Ia turbine sera injecté dans un échangeur thermique tel que décrit dans les paragraphes B, C, D, E et D grâce, soit à une pompe entraînée par le moteur thermique, soit à une pompe électrique, soit à une pompe entraînée par le système de turbine à gaz. La vapeur générée en sortie de l'échangeur thermique sera dirigée à l'entrée d'une turbine à gaz pour entraîner l'axe de la turbine couplée au générateur électrique (alternateur ou de la dynamo). En sortie de turbine, le fluide sous forme vapeur sera dirigé vers son propre radiateur pour être condensé en liquide afin de recommencer un cycle. J- Différents modes de réalisations sont envisageables, dans lesquels des éléments du circuit de refroidissement (pompe de circulation du fluide de refroidissement, radiateur, tuyaux et durites) seraient complètement ou partiellement partagés (mis en commun) avec le circuit mettant enjeu la turbine à gaz couplée à l'alternateur ou à la dynamo.
K- Dans un autre mode de réalisation, Ia turbine à gaz est uniquement entraînée par les gaz d'échappement du moteur thermique. En sortie de cylindre, les gaz d'échappement sont dirigés par des durites ou des tuyaux à l'entrée d'une turbine à gaz, permettant ainsi d'entraîner à eux seuls le rotor de la turbine, couplée à un générateur électrique. Dans ce mode de réalisation, les gaz d'échappement conduisent à une très grande élévation de la température du système (turbine alternateur) qui peut atteindre 9000C. Ce mode de réalisation entraîne une contrainte importante pour la réalisation de l'alternateur qui doit pouvoir résister à cette température. Une solution retenue est d'introduire sur l'axe commun couplant les turbines et le générateur une jonction en matériau faiblement conducteur thermiquement, tel que céramiques, Kapton, poly imide ... De plus, la jonction sera refroidie par une circulation d'huile. De même, le carénage de la turbine et celui de l'alternateur ou de la dynamo seront séparés par un joint thermique afin que l'alternateur ne soit pas trop échauffé. Ces procédés d'isolation thermique 10, entre la turbine et l'alternateur ou la dynamo, pourront également êtres appliqués pour tous les autres systèmes décrits aux sections A,B,C,D,E. Toutefois, les systèmes utilisant un fluide chauffé par les moteurs et/ou les gaz d'échappement, pour entraîner la turbine, fonctionnent à température plus faible.
L- Dans un autre mode de réalisation préférentiel Fig7, deux turbines sont reliées par un axe commun 22. La première turbine fonctionne à partir de la vapeur d'eau provenant des cheminées de refroidissement du moteur et de l'échangeur thermique (eau de refroidissement/gaz d'échappement). La seconde turbine fonctionne à partir des gaz d'échappement, après leur passage dans l'échangeur thermique. L'axe commun des deux turbines est refroidi par un circuit à huile qui est mis à profit pour transmettre le mouvement produit par les turbines à un générateur électrique (alternateur ou à une dynamo) 30, et éventuellement à un compresseur à air 29 monté sur un axe commun à celui de la dynamo ou de l'alternateur. Une cavité (cavité d'axe turbine) 25, 26 est aménagée autour de l'axe reliant les deux turbines ; cette cavité comprend deux orifices, en dessous et au-dessus de l'axe, permettant l'entrée et la sortie de l'huile (ou d'un autre fluide de refroidissement). La portion de l'axe comprise dans cette cavité est munie de petites aubes (ailettes) 13 ou d'une vis sans fin permettant, quand l'axe tourne, d'aspirer l'huile à travers un des orifices (par exemple supérieur) et de la refouler dans l'autre orifice (par exemple l'orifice inférieur). L'orifice par lequel est refoulée l'huile est relié à une cavité similaire (cavité d'axe d'alternateur) 27, 28 qui entourent une portion de l'axe de la dynamo ou de l'alternateur éventuellement couplé à un compresseur. Cette seconde cavité comporte également deux orifices au-dessus 23 et en dessous 24 de l'axe de dynamo ou d'alternateur, de telle sorte que l'orifice supérieur de cette cavité relie entre elles les deux cavités 26, 27. La partie de l'axe de la dynamo ou de l'alternateur qui est enfermée dans la cavité, comporte de petites aubes ou ailettes 13 pouvant entraîner cet axe. Lorsque l'axe des turbines tourne, il refoule l'huile de la cavité des turbines à travers son orifice inférieur vers la seconde cavité, l'huile entrant dans la cavité des alternateurs par l'orifice supérieur entraîne alors l'axe de la dynamo ou de l'alternateur et éventuellement du compresseur. Le mouvement dϋ rotation de cet axe permet alors de produire du courant électrique grâce au générateur électrique et éventuellement à comprimer l'air pour l'injecter dans le moteur grâce au compresseur. L'huile est alors évacuée de la cavité d'axe d'alternateur par son orifice inférieur. L'huile se dirige ensuite à travers un tuyau ou une durite jusqu'à l'entrée d'un radiateur pour huile où elle se refroidit. En sortie de radiateur, l'huile est de nouveau aspirée à travers l'orifice supérieur de la cavité de l'axe des turbines grâce à un tuyau ou à une durite reliant la sortie du radiateur à l'orifice supérieur de la cavité de l'axe turbine.
M- Dans un autre mode de réalisation, en sortie de l'échangeur ou du réacteur à carburant, les gaz d'échappement Fig852 sont mélangés à la vapeur d'eau Fig844 (produite en sortie de l'échangeur thermique) dans un tuyau unique de mélange de gaz 53 qui alimente une turbine unique à simple étage ou à multiples étages. Cette turbine étant couplée (au choix : système hydraulique, système de cardan, un axe commun, poulies/courroies) à un générateur électrique et éventuellement à un compresseur à air qui injecte l'air dans les cylindres d'un moteur. En sortie de turbine, le mélange vapeur d'eau / gaz d'échappement est refroidi et condensé dans un radiateur Fig954. La sortie du radiateur débouche dans le fond d'un réservoir d'eau 55 surmonté d'une colonne de refroidissement 56, elle-même débouchant à l'air libre. La vapeur d'eau refroidie se retrouve à l'état liquide dans le réservoir. L'eau liquide récupérée dans le réservoir alimente les cycles de refroidissement du moteur et de création de vapeur d'eau. Les autres gaz de combustion tels que le C02 se retrouve en grande partie dissous sous forme HCO3- dans l'eau du réservoir . Ceci représente un premier piège à C02. La colonne de refroidissement est composée d'un tuyau de 10 à 100 centimètres de long et 1 à 10 centimètres de rayon surmontant le réservoir. Autour de la colonne, est enroulé en spirale un tuyau de faible diamètre 57 (1 à 5 centimètres de diamètre). A la base du tuyau en spirale 58 une petit pompe 59 aspire l'eau du fond du réservoir, la fait circuler dans le tuyau en spirale 57 pour la rejeter dans la partie supérieure du réservoir 60, auquel est reliée l'autre extrémité de la spirale. A la base du tuyau en spirale, une résistance Peltier et/ou un radiateur 61 refroidissent l'eau qui circule dans la spirale. La circulation de d'eau dans le tuyau à spirale abaisse la température de la colonne de refroidissement, ce qui limite fortement l'évaporation de l'eau tout en permettant l'évacuation des gaz non dissous. Pour minimiser la consommation d'électricité utilisée par la résistance Peltier et la pompe de la spirale, l'électricité nécessaire au fonctionnement de ces deux appareils est éventuellement produite par un thermocouple, par exemple entre l'échangeur et Ie réservoir et/ou un petit panneau solaire disposé par exemple sur la carrosserie du véhicule. N- Dans un autre mode de réalisation, en sortie de la turbine à gaz fonctionnant avec la vapeur d'eau ou avec un mélange vapeur d'eau / gaz d'échappement, un vase d'expansion Fig9 62 peux être intercalé entre le radiateur de condensation et la sortie de gaz de la turbine. Le vase constitué d'un récipient d'un volume important (compris entre 0.5 et 100 litres) permettra une détente plus aisée de la vapeur d'eau après son passage dans la turbine.
Les procédés et/ou les montages décrits aux paragraphes A a N sont regroupés sous le nom de TurbiDyn. Le système TurbiDyn peut être utilisé pour générer l'électricité dans un véhicule hybride électrique/combustion interne à propulsion mixte électrique/thermique ou propulsion simple électrique.
Dans un exemple de propulsion mixte, l'implantation de la motorisation peut être décrite de la manière suivante:
Un moteur thermique est implanté sous le capot avant d'une voiture. Ce moteur est combiné avec un des systèmes de TurbiDyn décrit en A à N. Le moteur thermique peut éventuellement ne pas posséder de démarreur. Le moteur thermique assure la traction ou la propulsion de la voiture. Le système TurbiDyn assure la recharge des batteries pendant les phases où le moteur thermique fonctionne. Afin de minimiser l'encombrement, les batteries (nickel cadmium, nickel polymère ou autre type de batteries) seront par exemple intégrées sous les sièges ou dans leur partie basse, ou encore dans le châssis. Deux moteurs électriques peuvent êtres intégrés au niveau des roues d'un même pont du véhicule, ils assurent la propulsion ou la traction du véhicule durant les phases de motorisation électrique et participe à la motorisation durant les phases de motorisation mixte. L'alimentation des moteurs électriques est assurée par les batteries durant lés phases de motorisation électrique et durant les phases de motorisation mixte, par les batteries et le système TurbiDyn. Le régime des différents moteurs est assuré par une ou deux boîtes d'embrayage automatique et d'un calculateur.
Dans d'autres configurations, le moteur thermique peut être par exemple utilisé pour recharger exclusivement les batteries du véhicule. Dans ce cas, le moteur entraîne un générateur de courant et la chaleur produite fournit l'énergie nécessaire pour entraîner le système de turbines selon une des combinaisons A à N du procédé TurbiDyn.
Les réservoirs d'eau nécessaires au fonctionnement du système TurbiDym peuvent être judicieusement disposés dans les parties creuses du véhicule, telles que les parechocs ou les éléments creux de carrosserie.
LEGENDES DE L'ENSEMBLE DES FIGURES
1) Tuyau ou durite d'arrivée de vapeur d'eau
2) Carénage de confinement de la vapeur d'eau 3) Tuyau ou durite de sortie de la vapeur d'eau
4) Pales du rotor entraînant l'axe commun sous l'action de la vapeur d'eau
5) Rotor commun
6) Éléments de dynamo ou d'alternateur (aimant et/ou bobine et/ou électroaimant) solidaires à l 'axe de rotation 7) Éléments de dynamo ou d'alternateur (aimant et/ou bobine et/ou électroaimant) fixes
8) Diode de redressement du courant
9) Alternateur ou dynamo
10) Joint thermique (Kapton, céramique...)
11) Entrée d'huile de refroidissement 12) Sortie d'huile de refroidissement
13) Roue à aubes ou à ailettes pour faire circuler l'huile
14) Exemple de dynamo couplée à une turbine à vapeur
15) Pales de refroidissement
16) Échangeur thermique 17) Arrivée d'eau ou de vapeur d'eau en sortie de cheminée de refroidissement d'un moteur à combustion interne
18) Arrivée des gaz d'échappement
19) Entrée de gaz d'échappement dans la turbine
20) Pales du rotor à gaz d'échappement entraînant l'axe commun des deux turbines 21) Pales du rotor à vapeur d'eau entraînant l'axe commun des deux turbines
22) Axe commun aux deux turbines
23) Orifice d'entrée de cavité d'axe d'alternateur
24) Orifice de sortie de cavité d'axe d'alternateur
25) Cavité supérieure d'axe turbine 26) Cavité inférieure d'axe turbine
27) Cavité supérieure d'axe alternateur
28) Cavité inférieure d'axe alternateur
29) Compresseur à air (alimente un moteur thermique en air comprimé)
30) Générateur de courant électrique (dynamo ou alternateur) 31) Entrée de vapeur d'eau ou d'eau chaude en sortie de cheminée de refroidissement d'un moteur à combustion interne
32) Entrée de gaz d'échappement
33) Sortie de gaz d'échappement
34) Sortie de vapeur d'eau 35) Tuyau central échangeur thermique
36) Tuyau en spirale échangeur thermique
37) Tuyaux accolés formant une rosette échangeur thermique
38) Tuyaux en arceaux échangeur thermique
39) Tuyau de carburant de la rosette de l 'échangeur thermique 40) Carburant d'alimentation du moteur
41) Vapeurs de carburant 42) Bifurcation du Tuyau de sortie de vapeur d'eau de la rosette l'échangeur thermique
43) Mélangeur vapeur de carburant /vapeur d'eau
44) Vapeur d'eau 45) Électrovanne
46) Tuyau-réacteur
47) Barreau magnétique
48) Tuyau où circulent les gaz d'échappement entourant le réacteur
49) Mélange de vapeurs activées 50) Polie conique
51) Ressort disposé entre la ou les turbines et le générateur et ou le compresseur à air
52) Gaz d'échappement
53) Tuyau unique de mélange de gaz
54) Radiateur 55) Réservoir d'eau surmonté d'une colonne de refroidissement
56) Colonne de refroidissement
57) Tuyau enroulé en spirale de la colonne de refroidissement
58) Base du tuyau en spirale de la colonne de refroidissement
59) Pompe de la colonne de refroidissement 60) Tuyau de rejet d'eau du Tuyau enroulé en spirale de colonne de refroidissement
61) Résistance Peltier et/ou un radiateur de la colonne de refroidissement
62) Vase d'expansion

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé caractérisé en ce qu'il permet de produire du courant électrique à partir de la chaleur produite par un moteur à combustion interne, en récupérant cette chaleur pour produire de la vapeur. Cette vapeur et les gaz d'échappement actionnent ensemble un système de turbines à gaz. La vapeur est produite par la circulation d'un fluide à travers les cheminées de refroidissement d'un moteur à combustion interne et/ou d'un échangeur thermique fluide /gaz d'échappement ( 16 ), (Fig3, 35 ,36, 37) tel que l'échangeur est constitué de tuyaux (en métal ou en alliages de métaux, céramique ou en tout autre matériau ) accolés ( Fig2A, 33 ), (Fig2A, 34) ou emboîtés (Fig2B, 31), (Fig2B 32), (Fig2B, 33), (Fig2B, 34) , dans lesquels circulent d'une part, de l'eau (ou un autre fluide à chaleur latente plus base que l'eau), et d'autre part les gaz d'échappement. Les mouvements du système de turbines est transmis à un générateur électrique pour produire du courant électrique et ou à un compresseur pour comprimer l'air dans les cylindres du moteur, soit par un système de transmission hydraulique à aubes et/ou ailettes et/ou à vis sans fin (Fig7, 11, 13, 23, 24, 25,26,27), soit par un système de cardans, soit par un système de poulie et de courroie où la poulie de l'axe de rotation de la turbine est éventuellement conique (Fig6 50). Dans le cas d'une poulie conique, la tension de la courroie est générée grâce à un ressort (51) entre la turbine et le générateur qui les écarte.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz d'échappement ( 16 ), (Fig3, 35 ,36, 37) en sortie de l'échangeur thermique alimentent une turbine à gaz et que la vapeur en sortie de l'échangeur thermique alimente une deuxième turbine à gaz disposé symétriquement à la première, tel que les deux turbines présentant un axe de rotation (22) solidaire. 3) Procédé selon la revendication 1,2 caractérisé en ce que le carburant alimentant le moteur circule dans un des tuyaux de l'échangeur thermique (Fig4 39) où il est transformé en vapeur, puis est injecté dans les cylindres du moteur.
4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les vapeurs de carburant sortant de l'échangeur thermique sont mélangées à une partie de la vapeur d'eau produite par l'échangeur thermique, avant d'être injectées dans les cylindres du moteur (Fig4, 43, 45, 46).
5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les vapeurs de carburant ou le mélange vapeur de carburant / vapeur d'eau, avant d'être injectés dans les cylindres du moteur, sont échauffés entre 2500C et 10000C par les gaz d'échappement, dans un réacteur composé d'un tuyau ( en métal ou en alliages de métaux, céramique ou en tout autre matériau) (Fig4, 43, 45, 46 ) comprenant éventuellement en son centre un barreau magnétique avec un champ magnétique compris entre 0,5 et 50 teslas (Fig4, 47), l'ensemble du réacteur étant inclus dans un tuyau où circulent les gaz d 'échappement (Fi g4 48).
6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 3, 4, 5, caractérisé en ce qu'en sortie de l'échangeur thermique ( 16 ), (Fig3, 35 ,36, 37) les gaz d'échappement sont mélangés à la vapeur d'eau (Fig8, 53) et entraînent ensemble une seule turbine à gaz couplée à un générateur électrique ou à un compresseur. 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'en sortie des turbines, la vapeur d'eau ou le mélange vapeur d'eau / gaz d'échappements, se détende dans un vase d'expansion de 500 centilitres à 100 litres (Fig9, 62) , puis la vapeur d'eau ou le mélange vapeur d'eau / gaz d'échappement se refroidit et se condense dans un radiateur (Fig9, 54).
8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'après s'être refroidi et condensé, la vapeur d'eau ou le mélange vapeur d'eau / gaz d'échappement arrive dans un réservoir (Fig9, 55) où l'eau servira pour un nouveau cycle de refroidissement du moteur et de production de courant électrique. Le réservoir sera éventuellement surmonté d'une colonne de refroidissement ouverte sur l'atmosphère (Fig9, , 56, 57, 59, 60, 61) permettant le dégagement des gaz d'échappement non dissous en minimisant l'évaporation de l'eau.
9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce le générateur de courant (dynamo ou l'alternateur) actionné par les turbines alimente un système de batteries ou de piles électriques pour les recharger et ou alimente un moteur électrique.
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