Brevet FR2086079A1 — publié le 19711231

L'invention porte sur un procédé et un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, dans le but d'élever le degré d'évaporation de mélanges gaz/liquide dans les compartiments traversés, surtout en vue du traitement d'un mélange carburant/air finement réparti par un carburateur de machines à combustion, telles que des moteurs à combustion, des turbines ou d'autres machines analogues. Il est de notoriété publique, en particulier en ce qui concerne les moteurs à explosion, qu'avant son introduction dans la chambre de combustion le carburant subit un traitement approprié, permettant d'amener le mélange original, souvent composé de carburant et d'air, à un état homogène et de ce fait plus facilement combustible. Ce prétraitement est souhaitable pour les moteurs d'essence etc. du fait qu'il permet dans une large mesure la combustion sans résidus du carburant, tout en évitant l'échappement vers l'extérieur des composants imbrûlés, toxiques et souvent aussi fétides du carburant. Il est également connu que pour traiter le carburant de cette manière, il faut le mettre en contact, dans un carburateur, avec l'air de combustion, donc l'oxygène, et rendre cette liaison si étroite que le carburant et l'air forment un mélange en suspension. Malgré le mariage étroit du mélange carburant/air dans le carburateur, atteignant des gouttelettes d t environ 5-10-3 cm de diamètre, ce composé est toujours si "liquide" qu'une combustion optimum et de ce fait sans résidus du mélange carburant/air dans la chambre de combustion d'un moteur n'est pas possible. Pour que ces gouttelettes de carburant encore liquides atteignent un état d'agrégation, permettant leur combustion optimum, la durée de séjour des gouttelettes de mélange carburant/air dans un stade situé entre le carburateur et la chambre de combustion devrait être si longue que toutes les gouttelettes puissent s'évaporer avant d'arriver à la chambre de combustion. Pour un moteur d'un litre de cylindrée, la zone de séjour entre le carburateur et la chambre de combustion devrait être d'environ 1 m3 ; donc, cette solution se trouve déjà éliminée, par exemple pour des moteurs à essence. (Voir "Chemie-Ingenieur-Technik", édition mai 1C70, pages G et 10). En partant de cette idée, on sait par ailleurs qu'il faut soumettre le mélange carburant/air, sortant du carburateur en forme de gouttelettes, à un nouveau traitement, de la sorte que les gouttelettes du mélange carburant/air, se trouvant déjà en suspension, voient leurs dimensions encore diminuées. Pour une dispersion supplémentaire de ces gouttelettes, les équipements de ce genre comprennent entre le carburateur et la chambre de combustion un dispositif mobile conçu sous forme de turbine, dont la partie tournant autour d'un axe est munie d'ailettes pour la dispersion du mélange carburant/air. Il est vrai qu'on obtient par ce procédé des gouttelettes encore plus petites; toutefois, malgré ces dispositifs, il n'est pas exclu que le degré d'évaporation du mélange carburant/air ne soit toujours pas suffisant pour permettre une combustion intégrale.Ces parties rotatives présentent par ailleurs l'inconvénient d'une usure rapide et sont bruyantes. (Voir brevet allemand No 885 026). Dans le but d'éviter les inconvénients des dispositifs mobiles dans les conduites d'aspiration entre le carburateur et la chambre de combustion, il est également connu de prévoir dans lesdites conduites d'aspiration des dispositifs fixes en forme de boulets. Vus en direction du flux du mélange carburant/air, ces boulets semblent être disposés sans ordre et servent ainsi de surface de rebondissement au mélange. Les heurts successifs du mélange carburant/air contre ces surfaces résulte bien dans une forte dispersion des gouttelettes, mais ici comme ailleurs, on n'arrive pas à l'évaporation complète du mélange carburant/ air avant son passage dans la chambre de combustion. Etant donné que le facteur décisif d'une combustion sans résidus du mélange carburant/air n'est pas seulement la grandeur des gouttelettes, mais aussi et surtout le degré d'évaporation du carburant, ces dispositifs ne permettent pas non plus d'aboutir à une solution satisfaisante. (Voir brevet allemand No 594 334). On connaît également l'utilisation de dispositifs dans les conduites d'aspiration entre le carburateur et la chambre de combustion, conçus sous forme de chauffage et assurant le préchauffage ou respectivement l'évaporation du mélange carburant/ air avant son passage dans la chambre de combustion, Ces chau-- fages marchent à l'électricité et se composent de grilles de résistance avec un espace entre chaque élément. D'un côte. ces espaces sont reliés par une conduite venant du carburateur et de l'autre côté par une conduite menant à la chambre de combustion, c'est-à-dire au cylindre.Le mélange carburant/air provenant du carburateur est rechauffé dans ces espaces jusqu'à ce que ses composants, à savoir les gouttelettes de carburant, ont atteint un degré d'évaporation suffisant pour brûler dans la chambre de combustion sans laisser de résidus. hfin d'obtenir un bon degré d'évaporation du mélange carburant/air pour tous les nombres de tours du moteur, à savoir pleine charge et charge partielle, la pression du gaz produit peut être modifiée par un changement de puissance des grilles de résistance. Si le degré d'évaporation est amélioré grâce à ce dispositif, son utilisation s' avère difficile du fait de la grande consommation de courant, surtout en ce qui concerne les moteurs pour voitures, voire impossible en cas d'alimentation insuffisante en courant.Par ailleurs, cette méthode est considérée comme désavantageuse, parce que le mélange carburant/air est chauffé à une température plus élevée, ce qui a pour conséquence, par suite de l'augmentation du volume, que le degré d'efficacité volumétrique de moteurs à combustion est diminué (Voir à ce sujet demande allemande publiée 1 086 485). D'autre part on sait que pour les moteurs à combustion on peut intercaler entre le carburateur et la chambre de combustion un évaporateur, composé d'un grand nombre de tubes. L'évaporateur, conçu sous forme d'un faisceau tubulaire, comprenant des tubes larges et étroits de différentes longueurs, est disposé en direction du flux du mélange carburant/air, vaporisé par un carburateur dans la chambre de combustion ; un dispositif à bille brisant le jet à l'arrivée. Afin de réaliser une évaporation totale, la contenance thermique de l'air de combustion doit être transférée conformément au volume de chaleur de vaporisation du carburant. Pour cela, il manque cependant la conductibilité des surfaces métalliques en direction radiale; dans le faisceau, les tubes sont seulement disposés côte à côte et laissent même des espaces libres. Si cette possibilité faisant défaut, il faudrait faire passer au moment précis dans chaque tube la quantité d'air correspondant au flux de carburant. Ceci n'est pratiquement pas possible et à plus forte raison avec une bille comme répartiteur. La répartition uniforme et par suite une évaporation complète s' avère le plus difficile dans la zone où la vitesse du flux (marche à vide) est la plus faible et dans la zone ae transi- tion. L'échange thermique souhait ne peut se faire dans la mesure nécessaire que si un mélange radial du gaz est également possible. Mais ceci est empêché par les tubes, qui du fait de la surface lisse de leurs enveloppes et de la vitesse du s x du mélange carburant/air ne laissent à ce dernier aucune ps- bilité de précipitation sur les surfaces des enveloppes des tubes. (Voir à ce sujet : brevet allemand No 317 569). C'est ici que se situe le point de départ de I'lnventiou. Ceile-ci est basée sur un procédé et un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, permettant un traitement optimum et de ce fait une combustion sans résidus du mélange carburant/air dans la chambre de combustion d'un moteur, sans qu'il faille pour autant incorporer des pièces coûteuses et nécessitant de l'entretien et/ou exerçant une influence négative sur le flux dans les conduites d'aspiration. Le problème est techniquement résolu par l'invention, en faisant passer le mélange carburant/air le long de la surface d'une matière, de façon que les composants liquides du mélange carburant/air précipint à la surface de cette matière en refroidissant soit eux-mmes, soit, en partie ou totalement, 1 matière. Cette dernière est cependant rechauffée à nouveau par le mélange air/vapeur de la composition originale carburant/air, mélange libéré de sa teneur en liquide qui a précipite. la ?na- tiere est donc portée à une température, permettant un échelonnement de la température à partir du mélange air/vapeur, en passant par la matière, jusqu'à la partie de la matière où les précipitations ont eu lieu.Cet échelonnement étant calculé de telle manière que l'amenée de chaleur du mélange air/vapeur 'jusqu'au carburant qui s'est déposé sur la matière suffit à évaporer ce carburant avant qu'il soit acheminé vers la combustion proprement dite. lie dispositif, objet de l'invention, est caractérisé par le fait qu'à l'intérieur de la conduite se trouve une matière qui est un rouissant conducteur de chaleur, et dont la surface egali- se au minimum 10 fois la surface de la totalité des gouttelettes. Ces caractéristiques propres de l'invention permettent t tenir une évaporation complète du mélange carburant/air (ian3 la conduite d'aspiration, de manière que le mélange arrivant à la combustion peut brûler pour ainsi dire sans résidus dans la chambre de combustion, grâce à l'efficacité du mélange et de l'évaporation. Cette bonne combustion évite l'échappement de la chambre de combustion des gaz, ayant une forte teneur en oxyde de carbone, oxyde nitrique et/ou hydrocarbures imbrûlés ou craqués. Ainsi, il est possible de répondre le plus simplement du monde aux exigences actuelles, à savoir : des gaz d'échappement inodores et non toxiques.Par ailleurs, l'évapora- tion du mélange carburant/air, ne nécessitant pas d'amenée de chaleur de l'extérieur, présente un avantage décisif du fait que le meilleur refroidissement du moteur qui en résulte, permet d'atteindre un degré d'efficacité volumétrique plus élevé et que l'introduction du mélange carburant/air en suspension dans la chambre de combustion réduit la dilution de l'huile de graissage sur les parois des cylindres à cause de l'absence de dépôts de particules imbrûlées. De plus, le mélange carburant/air étant évaporé, il ne se forme pas de dépôts dans les canaux d'aspiration.Cette bonne évaporation a pour conséquence une combustion régulière et souple avec tous les avantages que cela comporte, c'est-à-dire ménagement de toutes les parties mécaniques particulièrement sollicitées, telles que paliers de bielle, intensité sonore réduite, mouvement rotatif parfait, meilleure résistance à la détonation etc. Vu d'une part l'adaptation de la surface de la matière à la nature du carburant et de l'autre part à la capacité et/ou le nombre de tours du moteur, l'objet de l'invention permet de réaliser une combustion optimum dans toutes les conditions d'opération, sans qu'on soit obligé d'accepter les inconvénients que présentent les procédé de combustion connus; inconvénients, dont l'un des premiew sont les gaz toxiques.Un autre avantage de l'invention corisiste en ce que l'évaporation est possible aussi bien à l'aide de surfaces fixes que mobiles; le champ d'application de l'invention s'en trouve donc nettement élargi. De plus, l'objet de l'invention permet une économie appréciable de carburant; point essentiel, car le rejet de gaz toxiques augmente proportionnellement avec la quantité de carburait consommée. A ceci s'ajoute que l'objet de l'invention est très simple et permet une fabrication en grande série aux moindres frais. Afin d'atteindre des degrés élevés d'évaporation et de ce fait une combustion régulière dans toutes les phases de l'opéra- tion, la surface de la matière peut, suivant une autre caractéristique de l'invention, être modifiée en fonction de la quantité de mélange carburant/air amenée. Le propre de l'invention consiste par ailleurs en ce qu'on peut faire passer le mélange carburant/air en turbulence le long de la surface. Il a résulté des essais faits avec l'objet de l'invention qu'il serait avantageux de se baser pour toutes les phases de l'opération sur le fait qu'une évaporation complète du carburant ne peut être obtenue que si la chaleur nécessaire est amenée pendant le laps de temps disponible. L'invention permet de prélever la chaleur requise à l'air de combustion même, sans chauffage supplémentaire. Il en résulte une différence de température entre le carburant en état d'évaporation et l'air de combustion. Cette différence est pratiquement constante et indépendante de la température absolue. Donc, la quantité de chaleur transférée par unité de temps ne dépend plus que du degré de turbulenc et de la surface de transfert thermique. lies dispositifs connus jusqu'à présent se basent pour l'efficacité de la surface de transfert thermique d'un carburant en suspension sur la somme des surfaces présentées par la totalité des gouttelettes. Entant donné toutefois que d'un c8té la turbulence à la surface d'un carburant en suspension est très réduite à cause du faible mou- vement relatif des gouttelettes par rapport à l'air de eombus- tion ambiant et que de l'autre côté la surface de transfert ther- mique des gouttelettes n'est pas encore suffisamment grande même après une forte dispersion, et cela surtout dans le rgime inférieur des tours, l'évaporation, et par là également la CGE- bustion du carburant restent largement incomplètes. Pour Si21i.fier cette opération de transfert thermiques l'invention ri'utilise pas la surface des gouttelettes de carb' rant, mais une surface métallique suffisamment dimenionnée, possédant un grand pouvoir conducteur de la chaleur. Il a donc été prévu à l'intérieur du tube d'aspiration des feuilles métal ligues enroulées hélicoidalement, placées en direction de l'axe longitudinal et traversées par le carburant en suspension. Ea arrivant dans la zone de la feuille métallique, le carburant s'y dépose comme un mince film.En raison du grand pouvoir conducteur de la feuille et du libre flux de la chaleur en direction de l'axe, la feuille adopte pratiquement la température du carburant enévaporation, ce qui provoque une différence de température entre la feuille et 11 air de combustion qui la traverse. Lorsqu'on utilise des feuilles métalliques comme surface d'évaporation du mélange carburant/air, il est très important de noter que selon l'invention la surface de transfert thermique est constituée par les feuilles métalliques. il est beaucoup plus facile de donner les dimensions voulues à cette surface qu'à celle des gouttelettes. Donc, cette solution est sans doute la plus avantageuse pour tous les moteurs ordinaires; ce qui n'exclut cependant pas l'utilisation d'une matière gazeuse au lieu d'une matière solide en tant que surface de transfert thermique. Ci-joint se trouve une représentation schématique de deux exemples d'exécution de l'objet de l'invention, qui toutefois ne se limite pas aux seuls exemples démontrés. La fig. 1 est une coupe longitudinale d'un tube d'aspiration, muni d'un dispositif pour l'application du procédé. La fig. 2 est une coupe transversale du tube d'aspiration, la matière étant constituée par une feuille métallique enroulée hélicoidalement. La fig. 3 est une coupe longitudinale d'un tube d'aspiration avec deux matières placées l'une derrière i'autre et des clapets d'étranglement à l'entrée et à la sortie du tube d'aspiration. La fia. 4 est une partie enroulée de la feuille métallique. Le dispositif assurant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention peut etre conçu de telle manière que dans une conduite d'aspiration 1 entre le carburateur et la chambre de combustion du moteur il est prévu une matière, servant à l'évapo- ration du carburant avant son entrée dans la chambre de combustion. Cette matière peut avoir la forme d'une plaque métallique, d'unefeuille métallique 2 enroulée hélicoldalement ou bien d'un produit gazeux. Ce qui- est décisif c'est qu'elle soit un bon conducteur de la chaleur et qu'elle puisse atteindre par exemple le coefficient de conductibilité du cuivre.Pour le dispositif représenté en particulier sous la fig. 1, la matière est simplement constituée par la feuille métallique 2 enroulée hélicoldalement et placée dans le tube d' as-iration 1. La feuille métallique 2 est enroulée autour d'un noyau, de manière à ce que ses canaux 4 se trouvent en direction du flux du mélange carburant/air, traversant la conduite d'aspiration 1. Jfin d'obtenir une flux turbulent du mélange carburant/air dans la conduite d'aspiration 1, la feuille métallique 2 peut être munie d'un certain nombre de fentes 5 ou de cames. La conduit loin essentielle pour une évaporation optimum du carburant est que la surface totale de la feuille métallique 2 doit correspondre au multiple de la surface totale des gouttelettes de carburant.Cependant, comme des essais l'ont démontré, il serait utile d'avoir une surface totale au moins 10 fois plus grande que la surface totale du carburant se trouvant dans la conduite d'aspiration 1 Selon l'invention, le carburant est traité auparavant de telle manière qu'un mince film du mélange carburant/air, finement dis perse, arrivant du carburateur, se dépose à la surface de la feuille métallique 2, refroidissant totalement ou partiellement celle-ci en même temps que soi-mame. Le mélange airjvapeur, ainsi libéré de la partie qui a précipité, avance en direction de la flèche jusqu'à la chambre de combustion, en chauffant tout particulièrement la surface de la feuille métallique 2, se trouvant derrière la zone où les précipitations se sont produites. De cela, il résulte une différence de température entre la surface réchauffée et la surface refroidie par le carburant, provoquant un flux de chaleur de la zone chaude vers la zone froide. La chaleur arrive dans la zone froide de la feuille métallique e, qui de ce fait se rechauffe et permet l'évaporation des précipitations de carburant. La partie du carburant évaporé, se dégage de la feuille métallique 2 pour être véhiculée par l'air jusqu 'à ia chambre de combustion. I1 est important de noter que la cnaleur nécessaire à l'évaporation du carburant provient exclusivement du mélange carburant/air, c'est-à-dire l'évaporation de la partie du-carburant ayant précipité sur la feuille métallique 2 est assurée par la différence de température entre le mélange carourant/air et le film de carburant précipité.Il a résulté des essais qu a partir d'une température d'environ 200C pour le mélange carburant/air et d'environ 12 C pour la feuille meta11i- que 2, rechauffée par l'absorption d'une partie de la chaleur du mélange carburant/air, il suffit d'une différence de tempéra- ture d'environ 20C par rapport à la surface de précipitation de la feuille métallique, pour évaporer le carburant précipité dans cette zone de la feuille métallique. Le mélange air/vapeur quittant la feuille métallique 2 après évaporation pour se diriger vers la chambre de combustion, présente un état d'agrégation, permettant sa combustion immédiate dans la chambre de combustion sans produire des gaz d'chappe- ment toxiques et/ou fétides. lie dispositif correspondant à l'exemple de la fig. 3 se distingue de celui représenté à la fig. 1 par le seul fait qu'en plus de la feuille métallique 2 il a été prévu dans l'ouverture 7 de la conduite d'aspiration 1 une feuille métallique 6 supplémentaire, de même que des clapets d'étranglement 8,9 dans les ouvertures 7,10 de la conduite d'aspiration et/ou d'évacuation. La feuille métallique 6 supplémentaire dans la conduite d'aspiration 1 ou respectivement dans l'ouverture d'aspiration 7 de cette dernière a surtout été prévue pour tenir compte de la combustion dans la zone à charge partielle du moteur. I1 a été prouvé qu'une combustion optimum du mélange carburant/air par exemple lors de la marche à vide du moteur, est surtout obtenue, si le mélange carburant/air a déjà subi une évaporation partielle avant d'entrer dans la phase principale d'évaporation.Au moyen des clapets d'étranglement 8,9 prévus dans les ouvertures 7,10 et dont la liaison est assurée par l'intermédiaire d'un tringlage, permettant de les actionner simultanément en appuyant sur l'accélérateur, il est possIble d'éliminer les irrégularités dans- l'accélération, susceptibles de se produire à cause du grand volume entre le carburateur et la chambre de combustion. I1 s'est avéré avantageux d'ouvrir alors le clapet d'étranglement 8 plus largement que le clapet 10, qui se trouve à proximité de la chambre de combustion. De ce fait, la pression de gaz dans l'évaporateur et devant le clapet 9 de la chambre de combustion se trouve augmentée, ce qui se traduit par un effet d'accélération appréciable. Par ai' leurs, des essais ont prouvé que l'insertion de la feuille métallique 6 supplémentaire dans l'ouverture d'aspiration 7 de l'évaporateur permet une meilleure répartition du carburant sur la feuille supplémentaire, et ceci aussi en marche à vide, d'où il résulte également une amélioration sensible de l'effet d'évaporation du carburant. Pour assurer une torsion au mélange carburant/air dans la feuille métallique 6 supplémentaire, celle-ci n'est munie, contrairement à la deuxième feuille métallique 2 que de rayures hélicoidales 11 placées en direction de la marche. Avec l'augmentation du nombre de tours du moteur, l'évaporation du mélange carburant/air est graduellement transférée de l'évaporateur supplémentaire. c'est-à-dire de la feuille métallique 6 à l'évaporateur princi- pal, à savoir la feuille métallique 2, qui assure l'évaporation complète du carburant non encore totalement évaporé. L'invention ne s'applique pas seulement aux moteurs à combustion interne, tels que par exemple les moteurs a essence5 est tout à fait concevable de l'utiliser pour des turines à gaz, pour d'autres turbomachines ou bien pour des moteurs Diesel. La condition principale de la mise en oeuvre de l'invention est l'utilisation d'un mélange carburant/air, en faisant subir à ce mélange un traitement avant son passage dans la cambre de comte bustion R E V E M D I G A T I O N S 1 - Procédé pour élever le degré d'évaporation de mélanges gaz/liquide dans les compartiments traversés, surtout en vue du traitement d'un mélange carburant/air finement dispersé par un carburateur de machines à combustion, telles oue des moteurs à combustion, desturbines ou d'autres machines analogues, se caractérisant par le fait que le mélange carburant/air passe à la surface d'une matière fixe ou également en mouvement, de manière que les composants liquides du mélange carburant/air se déposent en précipitations à la surface de la matière, où ils refroidissent soit eux-mêmes soit la matière en totalité ou partiellement, alors que la matière est réchauffée à nouveau par le composant air/vapeur du mélange d'origine carburant/air, libéré de la partie liquide précipitée, jusqu'à une température, permettant un échelonnement des températures du mélange air/vapeur, en passant par la matière, vers la zone de précipitation du carburant sur la matière, échelonnement qui suffit à ce que 1' arri- vée de la chaleur du mélange air/vapeur, se dirigeant vers le carburant précipité sur la matière, provoque l'évaporation de ce carburant avant son passage dans la combustion proprement dite. 2 - Procédé suivant la revendication 1, se caractérisant par le fait que le temps de séjour du mélange carburant/air à la surface est variable. 3 - Procédé suivant la revendication 1, se caractérisant par le fait que la surface est variable en fonction de la quantité de mélange carburant/air utilisée. 4 - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, se caractérisant par le fait que l'amenée de chaleur du mélange air/ vapeur vers le carburant précipité sur la matière s'effectue en direction axiale et radiale et à une intensité telle que le carburant s'évapore. 5 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, se caractérisant par le fait que le mélange carburant/air se déplace en turbulence à la surface. 6 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, se caractérisant par le fait que le mélange carburant/air se déplace d'une façon laminaire sur la surface. 7 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications à 6, avec un vaporisateur fi car u- rant, au moins une chambre de combustion, ainsi qu'au moins une conduite reliant le vaporisateur de carburant à la chambre de combustion, conduite qui est caractérisée par le fait qu'elle comporte au minimum une matière 2 à grand pouvoir conductellr de la chaleur et une surface 10 fois plus grande que celle du ftffllm de carburant précipité sur la matière. 8 - Dispositif suivant la revendication 7, se caractérisant par le fait que la matIère est conçue sous forme de feuille métallique 2 enroulée hélicoldalement. 9 - Dispositif suivant l'une des revendications 7 et 8) c- ractérisé par le fait que la surface de la feuille métallique 2 est munie de plusieurs fentes et chicanes 6. 10 - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que la conduite 1 est équipée d'un évaporateur principal (feuille métallique 2), que l'ouverture d'asiration 7 de la conduite comprend un évaporateur supplémentaire (feuille métallique 6) et que les ouvertures d'aspiration et d'évacuation sont munies de clapets d'étranglement 8,9. 11 - Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que l'évaporateur supplémentaire (feuille métallique 6) est muni de rayures hélicoldales 11, disposées en direction de l'avancement du mélange carburant/air.