Brevet FR2004256A1 — publié le 19691121

La présente invention concerne les moteurs à allumage par compression et en particulier les moteurs pouvant assurer un rendement sensiblement constant de puissance développée dans la gamme des vitesses de fonctionnement. 5 Les moteurs Diesel destinés aux véhicules utili taires n'ont cessé d'être perfectionnés pour obtenir un rendement amélioré de combustion, sans sacrifier l'économie d*utilisâtiono Les recherches de perfectionnement de ces moteurs ont été orientées en premier lieu sur 1*augmentâtion de course des pistons, 10 l'élévation des vitesses de rotation, etc. L'adjonction de compresseurs ou turbocompresseurs à ces moteurs a permis d'accroître de façon très sensible le rendement de puissance du moteur, sans augmentation de la course de pistons» Cependant l'accroissement de puissance d'un moteur de véhicule utilitaire, 15 fonctionnant sous des charges élevées, ne résout pas le problème de l'efficacité d'adaptation de l'énergie à la propulsion du véhicule. Celle-ci ne peut être atteinte qu'avec une transmission à vitesses multiples, et même un grand nombre de rapports de vitesses. 20 Etant admis que la complexité de la transmission peut être réduite lorsque le rendement de puissance du moteur est maintenu constant, des recherches ont été effectuées pour obtenir ce rendement constant par réduction du débit de carburant aux cylindres dans la moitié supérieure approximative de la gamme 25 des vitesses de fonctionnement du moteurs Cette réduction a uniformisé davantage le rendement du moteur mais a réduit en même temps la puissance maximale, de sorte que les recherches dans ce sens n'ont abouti qu'à des avantages réduits. Un moteur du genre Diesel mis au point plus récem-30 ment pour la traction sur voies ferrées, comporte un turbocompresseur ou compresseur utilisé en conjonction avec un dispositif d'alimentation commandée des cylindres par lesquels le rendement de puissance aux bas régimes de fonctionnement du moteur est augmenté, alors que la puissance aux vitesses de rotation les 35 plus élevées du moteur est maintenue au-dessus de celle d'un moteur non suralimenté de mêmes caractéristiques. Ce moteur a fait l'objet d'une communication de D-.M. PEARCE au Congrès 69 07976 2 2004256 international des moteurs à combustion interne de La Haye, le 24 Mai 1955 sous le titre "Moteur Paxman type Hi-Dyne pour traction Diesel". Bien que donnant des résultats sensiblement améliorés de rendement constant de puissances ce moteur Paxman 5 ne satisfait pas aux exigences des véhicules automobiles et analogues parce que les turbocompresseurs disponibles à 18époque ne pouvaient alimenter efficacement les moteurs dans la partie inférieure des régimes de fonctionnement sans risques d'emballement du moteur aux vitesses élevées, particulièrement en hautes 10 altitudes. Des moteurs utilisant des agencements améliorés de compresseurs sont décrits, en particulier, dans le brevet des E.U.A. n° 3289661 du 6 décembre 1966. Le genre de moteur décrit dans ce brevet réalise un grand pas en avant dans 1*étude des 15 moteurs à rendement constant de puissance, par suite de lsapparition de turbocompresseurs améliorés et de techniques de commande d'alimentation en carburant permettant l'utilisation du moteur avec cinq ou six vitesses, même sur un véhicule ayant un poids en charge de plusieurs tonnes, et ainsi facilitant grandement 20 sa conduite tout en assurant des économies substantielles de fonctionnement„ La présente invention constitue un perfectionnement des moteurs, décrit dans la communication précitée et le brevet n° 3289661, en ce qu'elle permet une meilleure adaptation du 25 turbocompresseur au dispositif d'alimentation en carburant et au moteur, tout en assurant une commande améliorée du turbocompresseur, de sorte qu'on ne risque pas l'emballement aux vitesses élevées de rotation du moteur ou dans des conditions de hautes altitudes; de plus la commande du moteur est assurée plus effi-30 cacement de sorte qu'avec une transmission bien adaptée au moteur l'utilisation du véhicule équipé de ces moteur et transmission est grandement facilitée. En particulier, le nouveau moteur est équipé d'un turbocompresseur à turbine, entraînée par les gaz d'échap-35 peinent alimentant un diffuseur compartimenté par des collecteurs multiples, et de plus d'un dispositif à régulateur de commande de la pompe d'injection du carburant; cet agencement assure le rendement de puissance, constant ou légèrement croissant, requis 69 07976 3 2004256 à tous les régimes de vitesses de rotation du moteur ainsi qu'un réglage amélioré des pressions internes et de balayage et une meilleure utilisation du carburant injecté. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la 5 description qui va suivre d'exemples de réalisation, et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique en élévation latérale d'un exemple de moteur équipé d'un dispositif selon l'invention. 10 La\ figure 2 est une vue en plan correspondante. ta figure 3 est une coupe axiale de la turbine de compresseur. La figure 4 est une vue en élévation latérale du mécanisme à came et levier inclinable, réglant le débit de carbu-15 rant vers le moteur. La figure 5%est une coupe axiale de l'ensemble d'un cylindre et piston du moteur. La figure 6 est un graphique de rendement d'un exemple de moteur selon l'invention, suivant les vitesses de 20 compresseur. La figure 7 est un graphique des conditions spécifiques de consommation de carburant, sous toutes les -vitesses et charges d'un moteur selon l'invention. La figure Ô est un graphique de l'alimentation 25 en carburant d'un moteur suralimenté de manière classique. La figure 9 est un graphique de comparaison de l'écoulement d'air du nouveau moteur à celui d'un moteur suralimenté de manière classique. Les figures 10A à E, sont des courbes caractéristi-30 ques diverses de fonctionnement du moteur. La figure 11 est un graphique de comparaison des déplacements du poussoir de réglage du débit de la pompe pour un moteur selon l'invention et un moteur classique. La figure 12 est un graphique montrant l'effet 35 de balayage d'un turbocompresseur classique dans un moteur normal suralimenté.^ 69 07976 4 2004256 La figure 13 est un graphique analogue mais pour un turbochargeur à diffuseur compartimenté. La figure 14 est un graphique analogue mais pour un ensemble selon l'invention; et 5 La figure 15 est un graphique des pressions pour différents genres de moteur, dont le moteur selon l'invention. Op. donne à titre d'exemple, un moteur Diesel, ou moteur à allumage par compression 10 (figures 1 et 2) à six cylindres de 123,5 mm d'alésage et 152,5 de> course, soit unecylin-10 drée d'environ 11 1. Le régime normal d'utilisation de ce moteur sur un véhicule est compris entre 1200 et 2100tr/mn, avec une vitesse à vide maximale de 600tr/mn. Le système d'injection 11, de genre classique disponible sur le marché, comprend une pompe, telle que le modèle APE 6 BB de 1'American Bosch Arma Corporation, 15 qui est équipée du régulateur de pompe d'injection de cette firme appelé "régulateur GVB/c", équipant normalement cette pompe. Le dispositif et le régulateur sont décrits en détail dans le brevet des EoU.A. n° 3209661. A des fins, qui seront exposées dans la suite avec 20 la figure 5, les pistons 12 du moteur, déplacés dans les cylindres 13 et reliés de manière habituelle par une bielle 14 au vilebrequin (non représenté), sont équipés d'un dispositif de refroidissement de piston, comprenant un ajutage 15 monté sur le bloc moteur de manière à envoyer de l'huile sur la surface inférieure du piston. 25 Tout genre de pompe à huile classique peut être utilisé pour alimenter les ajutages en huile à partir du carter du moteur. Une caractéristique essentielle du nouveau moteur réside dans l'agencement du turbocompresseur utilisé pour alimenter les cylindres en air comburant. Ce turbocompresseur 19 est relié 30 à deux collecteurs.d'échappement séparés 17 et 18 (figure 2), dont l'un reçoit les gaz d'échappement des trois cylindres avant du moteur, et le second les gaz venant des trois autres cylindres; le turbocompresseur 19 comprend une turbine 20 ainsi alimentée et une soufflante 21. Les extrémités des collecteurs peuvent être reliées 35 à une bride 23, qui est montée par boulons ou autrement sur une bride d'extrémité 24 du carter de diffuseur 25 de la turbine 20. Ce diffuseur (figure 3) comporte une cloison centrale et radiale de séparation 26, qui aboutit par son bord interne au voisinage 69 07976 5 2004256 immédiat du rotor 27 de la turbine 20, de sorte que l'impulsion des gaz d'échappement de chaque groupe de cylindres reste séparée presque jusqu'à son introduction dans les intervalles des ailettes du rotor 27» Des turbines de ce genre sont réalisées par la 5 Airesearch Corporation et la Schwitzer Corporation et sont décrites. par exemple dans les brevets des EoU.A. n°32923ô4 du 20 Décembre 1966, et n° 3270495 du 6 Septembre 1966. Ces turbocompresseurs sont beaucoup plus efficaces que ceux de modèles antérieurs à faibles vitesses et débits, et en conséquence con-10 viennent mieux à l'alimentation en air de la tuyauterie d'admission 29 du moteur 10 par la soufflante 21, laquelle peut être de modèle classique à écoulement radial, avec ou sans aubage distributeur. Les turbocompresseurs décrits ci-dessus équipent 15 le nouveau moteur suivant les caractéristiques du graphique de la figure 6. La courbe M indique les vitesses inférieures du moteur, qui sont situées nettement dans la zone Z d'efficacité maximale à 70$ du compresseur» Aux vitesses supérieures du moteur, l'efficacité décroît jusqu'à environ 60% pour 2l00tr/mno La courbe 20 M indique également que la vitesse maximale de la turbine, qui est 75000tr/mn, permet d'atteindre un facteur de sécurité supérieur à la valeur requise pour la compensation d'altitude Le turbocompresseur 19 peut être monté avantageusement sur la culasse du moteur, l'admission 30 du compresseur étant disposée de manière à être reliée facilement à un filtre 30 d'air ou analogue. L'orifice d'échappement 31 de turbine est branché sur le système normal d'échappement du moteurD Le dispositif de réglage d8injeetion de la pompe diffère de l'équipement habituel, et également de celui revendiqué dans le brevet antérieur n° 3289661 de la demanderesse, par 35 l'agencement de la plaque de came d'écoulement maximal et du levier pivotant 33 (figure 4)® Ce levier est relié par l'intermédiaire d'une biellette articulée 34 au poussoir 35s qui commande la quantité de carburant injectée pour chaque temps de combustion. 69 07976 6 2004256 La plaque de came 32 est montée de manière à pouvoir être réglée verticalement dans une glissière 36 et ajustée par une vis 37 fixée dans un manchon 36 qui en est solidaire et qui prend appui sur l'extrémité supérieure de la glissière 36, ou encore y est 5 vissée. La came 32 comporte de haut en tas une surface 39, inclinée vers le bas et la gauche, raccordée à une surface 40 inclinée vers le bas et la droite, puis une surface verticale 41 et finalement une surface 42 inclinée vers le bas et la droite. 10 Un levier pivotant à toucheau de came 43, coopère avec les surfaces 39 et 40, et une vis d'inclinaison 44 coopère sous certaines conditions avec la surface 42. A la limite maximale déterminée par la vitesse de réglage, le toucheau 43 est appuyé sur la plaque de came 32, entre 2100tr/mn et 1200tr/mn approximativement de 15 manière que,lorsque la vitesse diminue, la quantité de carburant injectée dans le moteur diminue en même temps. A environ 1200tr/mn, I la vis d'inclinaison 44 entre en contact avec la surface 42, sous l'action du levier pivotant de réglage, et tend à écarter le toucheau de came de la plaque en position ouverte ou à vide du 20 poussoir, telle qu'indiquée sur la figure 4« Entre 2100 et 1400tr/mn, le toucheau de came 43 rencontre la pente 48 de came et est déplacé vers le sommet délimitant les surfaces 39 et 40, à 1400tr/mn, puis descend la rampe 39 jusqu'à 1200tr/mn, de sorte que le poussoir est déplacé dans un sens pour lequel l'alimentation de carbu-25 rant est accrue, jusqu'à ce que la vis d'inclinaison 44 se substitue au toucheau par entrée en contact avec la surface 42. Une commande efficace du réglage de carburant aux divers régimes de fonctionnement est ainsi obtenue. Une représentation plus complète de l'action de la came est donnée par la figure 11, sur laquelle 30 la courbe A représente le déplacement du poussoir d'alimentation en carburant entre 2100 et 900tr/mn, selon l'invention. La courbe B représente le déplacement habituel du poussoir dans un moteur suralimenté de manière classique, dont l'alimentation en carburant croît avec la vitesse du moteur -35 approximativement entre 800 et 2l00tr/mn. Il est donc évident que la nouvelle commande de réglage augmente progressivement le débit de carburant, lorsque la vitesse du moteur décroît puis le diminue au-dessous de la vitesse de couple maximale de I200tr/mn. 69 07976 7 2004256 La consommation spécifique de carburant (SC) du nouveau moteur est représentée par la courbe C de la figure 7, qui indique qu'à pleine admission, l'économie varie approximativement depuis 161 g/Ch à 1000 tr/mn vers un minimum de 153 g/Ch à 5 1400 tr/mn puis s'élève à un maximum de 164 g/Ch à 2100 tr/mn. Les zones de consommation spécifique sont grandes, ce qui indique bien que le moteur est très économique, même sous charge très réduite. Les conditions presque idéales à pleine admission, relativement à la consommation spécifique, permettent de conclure à 10 l'adaptation excellente du turbocompresseur et du dispositif d'injection pour l'efficacité de la combustion. Une représentation plus complète de l'écoulement de carburant et d'air est donnée par la courbe D de la figure 8, celle-ci indique que le débit de carburant en mrn^ par course est 15 maximal à environ 190, entre 1100 et 1200 tr/mn, puis décroît lentement, avec l'augmentation de vitesse, à un minimum de 145 à 2100 tr/mn. La courbe E donne le débit de carburant par course d'un moteur suralimenté de manière classique; ce débit de carbu- O 20 rant atteint un maximum d'environ 152 mm par course à 1800 tr/mn Q et un minimum légèrement inférieur à 140 mm à 1000 et 2100 tr/mn. Ainsi, bien que le débit pour les deux moteurs soit sensiblement le même aux grandes vitesses, la différence est très marquée aux vitesses inférieures, le nouveau moteur consommant approximative-25 ment 1/3 de carburant de plus aux régimes de 1000 à 1300 tr/mn. Le débit d'air, fourni par le turbocompresseur décrit plus haut, est donné par la courbe F de la figure 9 où l'écoulement maximal apparaît à environ 1400 tr/mn et diminue aux vitesses inférieure et supérieure. 30 La courbe G de la figure 9 indique l'écoulement d'air dans tin moteur à suralimentation classique et la différence avec le nouveau moteur aux faibles régimes de vitesses, atteignant approximativement 30fo} et par ailleurs l'adaptation précise des débits d'air et de carburant du nouveau moteur. 35 D'autres performances caractéristiques obtenues sont données par les figures 10A à E. Dans ce cas également, les débits d'air et de carburant sont relativement élevés aux régimes de faibles vitesses (courbes I et H des figures 10E et 10D), 69 07976 s 2004256 et le rapport air-carburant (courbe J de la figure 10C) est normal pour un réglage de fumée d'échappement avec un minimum de 19/1 à 1000 tr/mn et un maximum de 28/1 aux régimes élevés. La courbe E de la figure 10A indique que les températures dféchap-5 pement ont un maximum de 700°C à 1000 tr/mn avec un minimum légèrement supérieur à 600°C à 1800 tr/mn. Dans les régimes de fonctionnement de 1400 tr/mn et au-dessus, le refroidissement des pistons par jets d'huile comme indiqué sur la figure 5 est avantageux. 10 La figure 10B donne une courbe L indiquant que le moteur présente un excellent rendement thermique avec un maximum dfenviron 41$ à 1400 tr/mn, et des minima d'environ 39$ à 1000 tr/mn et 37$ à 2100 tr/mn. L'adaptation du t'tirbocompresseur au nouveau moteur 15 est particulièrement efficace en ce qui concerne l'action de balayage du turbocompresseur et le dispositif de commande de carburant. La figure 12 donne pour comparaison la courbe de charge d'admission N et celle de contrèpression 0 à l'échappement d'un moteur de 214 Ch dont le diffuseur de turbocompresseur n'est pas 20 compartimenté8 La pression différentielle M de balayage est approximativement 38 mm de mercure et n'assure donc qu'un balayage très réduit. Ces conditions sont les meilleures que pouvaient donner les turbocompresseurs disponibles il y a 10 ans. Un moteur récent d'environ 255 Ch équipé d'un compresseur du modèle des 25 figures 2 et 3, comprenant un aubage de diffuseur de soufflante, mais n'utilisant pas le régulateur de carburant de la figure 4, assure une pression effective très élevée de balayage, comme indiqué sur la figure 13 par les courbes P de pression de charge et C de contrepression. 30 Un balayage maximal M d'environ 203 mm de mercure est créé ainsi à environ 1700 tr/mn et un balayage différentiel d'environ 152 à 203 mm de mercure apparaît aux régimes d'utilisation, avec en conséquence une augmentation importante des vitesses de la turbine, dont l'emballement peut apparaître en 35 hautes altitudes et aux vitesses les plus élevées du moteur. Selon l'invention, les courbes de charge R et de contrepression S (figure 14) présentent un balayage différentiel maximal M d'environ 203 mm de mercure aux bas régimes, c'est-à-dire 69 07976 9 2004256 entre 1000 et 1400 tr/mn, et qui diminue pour donner une pression négative de balayage aux régimes de 1800 à 2100 tr/mn environ. La pression décroissante o,u négative de balayage agit un peu à la manière d'une barrière de perte de charge, par réduction de 5 la vitesse du turbocompresseur. Les améliorations de performances de 1*ordre décrit ci-dessus sont accompagnées d'un accroissement marqué des pressions d'allumage maximales dans les cylindres. Dans un moteur à alimentation sans compresseur de même cylindrée, la pression maximale 10 d'allumage est approximativement 84 kg/cm alors que dans un moteur classique suralimenté, elle est portée à environ 105 kg/cm à 2100 tr/mn. Par rapport à ce dernier, le nouveau moteur en raison de ses caractéristiques de couple, a une pression maximale A d'allumage d'environ 134 kg/cm , au régime de couple maximal, et 15 diminuant avec l'augmentation de vitesse à environ 111 kg/cm o Le nouveau moteur diffère de plus des moteurs de types antérieurs, suivant les caractéristiques représentées par les diagrammes pression/déplacement à 1200 tr/mn (figure 15) de quatre types de moteurs différents. Dans un moteur non surali-20 menté à la puissance de 178 Ch, la courbe T indique que le taux maximal de compression atteint approximativement 7 kg/cm^ par degré, à 7° environ en avant du point mort haut. Lorsque ce moteur est suralimenté de manière classique, le taux de compression "est réduit de 15,8 à 1-4,8, et, en dépit de la pression de charge 25 augmentée et des pressions maximales plus élevées d'allumage des cylindres, l'élévation du taux de compression est plus faible (courbe U), que les 5,9 kg/cm^ par degré pour un moteur surchargé de plus faible puissance. Dans un moteur plus puissant, par exemple de 253 Ch, la courbe Y indique que l'élévation de pression 30 atteint approximativement 6,5 kg/cm par degré. Le nouveau moteur n'atteint, même à la puissance très élevée pour 1200 tr/mn, que 7 kg/cm2 par degré entre 5 et 10° avant le point mort haut. Ces courbes soulignent de plus que le point réel de compression maximale d'allumage se rapproche du point mort haut lorsque la 35 puissance est augmentée, le taux de pression du nouveau moteur n'étant pas supérieur à celui d'un moteur non suralimenté de faible puissance0 69 07976 10 2004256 L'augmentation de charge appliquée par la pression maximale d'allumage dans le nouveau moteur nécessite quelques transformations de celui-ci. C'est ainsi que la surface de portée des bielles, aussi bien que du vilebrequin, et en conséquence les 5 nervures de support, doivent être augmentées et, que les soupapes doivent être renforcées convenablement pour éviter leur déformation sous les pressions maximales atteintes dans les cylindres» Il apparaît clairement de ce qui précède que le nouveau moteur réalise le réglage exact du mélange air/carburant 10 à l'aide du nouveau dispositif d'injection et du turbocompresseur, de sorte qu'un rendement élevé de puissance est obtenu à tous les régimes de fonctionnement, compte tenu du réglage de fumée, pour donner un rendement thermique amélioré aussi bien qu'une économie de carburant. 15 Ce moteur ne nécessite qu'une transmission rela tivement simple à cinq vitesses avant pour assurer l'utilisation et la commande complètes de la puissance, à tous les régimes du moteur et dans les conditions diverses de charge et de parcours. Les rapports de transmission sont sensiblement échelonnés de manière 20 à obtenir les caractéristiques de rendement élevé du moteur ; par ailleurs la rétrogradation de vitesses n'est pas exigée avant abaissement de la rotation du moteur à 1240 tr/mn au lieu de 1800 habituellement avec les moteurs à suralimentation classique. En d'autres termes, le nouveau moteur avec une boîte à cinq vites-25 ses avant, assure des performances, toutes conditions égales d'ailleurs, équivalentes à celles d'une transmission à quinze vitesses de moteur à suralimentation classique. Bien entendu ce nouveau moteur est susceptible de comporter d'autres agencements de structure, courses de pistons, 30 nombres de cylindres etc. selon l'invention; en conséquence la réalisation décrite n'est pas limitative du cadre des revendications qui suivent. 69 07976 n 2004256 REVENDICATIONS 1. Un moteur à combustion interne et turbocompresseur ayant un rendement de puissances sensiblement constant à tous les régimes des vitesses d'utilisation, comprenant ion moteur à combustion interne à cylindres contenant les pistons en mouvement 5 alternatif, un dispositif d'injection de carburant pour y assurer sa combustion, un dispositif de commande par le conducteur pour régler l'injection, un dispositif commandé par la vitesse de rotation pour doser le débit maximal de carburant injecté, tin appareil inclus dans ce dernier dispositif de commande pour 10 accroître le débit de fluide injecté, lorsque la vitesse de rotation diminue dans les limites de vitesses d'utilisation, et pour diminuer ce débit dans les régimes de rotation à vide dudit moteur, des collecteurs d'échappement recevant les gaz d'échappement des cylindres du moteur, un turbocompresseur à turbine et soufflante 15 alimentant les cylindres en air comburant afin d'assurer la combustion, ladite turbine ayant un rotor à aubage avec des intervalles et des passages individuels pour chaque collecteur afin d'amener et diriger les gaz d'échappement sur ledit aubage et dans les intervalles de celui-ci, ledit dispositif commandé par 20 la vitesse du moteur et ledit turbocompresseur alimentant le moteur en comburant et en air dans tin rapport assurant une pression négative de balayage aux vitesses élevées d'utilisation et une pression positive croissante de balayage lorsque la vitesse du moteur s'abaisse au-dessous de ces vitesses élevées, afin d'adapter 25 un débit croissant de fluide à la vitesse décroissante du moteur pour assurer un rendement de puissance sensiblement constant dans lesdites limites de vitesse d'utilisation» 2» Un moteur selon la revendication 1 dans lequel les gaz d'échappement et les pressions de balayage maintiennent 30 la vitesse de rotation du turbocompresseur dans les limites de sécurité à tous régimes de vitesses de fontionnement, sous toutes altitudes sans échappement desdits gaz. 3„ Un moteur selon la revendication 1 dans lequel les températures de pistons sont accrues aux régimes de vitesses 35 élevées de fonctionnement du moteur, et des jets envoient un 69 07976 12 2004256 réfrigérant sur ceux-ci. 4» Un moteur selon la revendication 1 dans lequel ledit dispositif commandé par les vitesses de rotation du mot -comprend une glissière de commande du carburant, un régulateur de ces vitesses déplaçant cette glissière, un levier déplacé arrc ladite glissière et une came à surfaces distinctes au contact de ce levier aux régimes de vitesses d'utilisation et de vitesses à vide pour commander le débit maximal de comburant»