Brevet FR2231858A1 — publié le 19741227

L'invention concerne un dispositif de chauffage de l'air comburant d'un moteur à combustion interne essentiellement formé d'une bougie de préchauffage située à l'intérieur de la tuyauterie d'admission d'air du moteur à combustion interne et entourée d'une chemise cylindrique munie de perforations radiales et ouverte sur un côté frontal, du carburant étant injecté à l'intérieur de la chemise au moins lors du démarrage, s'allumant sur la bougie de préchauffage et fournissant par sa combustion la chaleur nécessaire au préchauffage de l'air admis. On installe habituellement les bougies de préchauffage de ce genre de façon telle que l'axe de sa chemise cylindrique fasse avec l'axe du tuyau d'admission un angle de 90 , le chemise pénétrant profondément dans le tuyau d'admission. I1 est vrai qu'avec cette disposition, les bougies assurent un démarrage à froid relativement sûr même à des températures ambiantes très inférieures à 0 C, mais à des vitesses de rotation relativement faibles du moteur à combustion interne, la flamme chauffante s'éteint. Dans ces conditions, un moteur à combustion interne à auto-allumage et à compression d'air n'atteint que péniblement son régime de ra-lenti et donne une fumée blanche à l'échappement. On a déjà tenté d'empêcher l'extinction prématurée de la flamme de chauffage au moyen d'écrans ou de cloisons protectrices situées dans le courant d'air admis, en amont ou en aval de la bougie de préchauffage (brevets allemands nO 1.576.220 et 1.260.862). Mais dans les moteurs où deux ou trois cylindres seulement sont raccordés à un tronçon de la tuyauterie d'admission, ces mesures ne suffisent pas à empêcher i'extinction prématurée de la flamme chauffante car les fortes pulsations qui se produisent en pareil cas éteignent déjà la flamme chauffante pour une vitesse de rotation relativement faible. L'invention a pour but de réaliser un dispositif de chauffage du genre ci-dessus sous une forme telle que l'allumage initial de la flamme chauffante au démarrage à froid se produise sûrement et que la flamme chauffante continue de brûler, même en cas de fortes pulsations dans la tuyauterie d'admission, au moins jusqu'à la vitesse inférieure de ralenti d'un moteur à combustion interne à auto allumage et à compressiond'air. Conformément à l'invention, ce problème est résolu par le fait que la bougie de préchauffage est disposée, relativement à la paroi de la tuyauterie d'admission, de façon telle que dans la région de la chemise on obtienne au moins les courants partiels suivants du courant principal de l'air comburant : a) un premier courant partiel qui s 'écoule transversalement à l'axe de la chemise et qui traverse une partie des perforations radiales de la chemise, b) un deuxième courant partiel qui se détache du premier à l'intérieur de la chemise, à peu près parallèlement à l'axe de celle-ci et qui sort par le caté frontal ouvert de la chemise pour entrer dans une cavité annexe de la tuyauterie d'admission qui n'est pas atteinte directement par le courant principal de 1 air comburant. La caractéristique a) a pour effet que dans l'intérieur de la chemise, il existe au démarrage à froid des conditions appropriées à l'allumage de la flamme chauffante. La flamme qui s'y forme est influencée par la fréquence des oscillations d'aspiration. En cas de fortes pulsations dans la tuyauterie d'admission, la flamme oscille dans un sens et dans l'autre alors que dans les moteurs à six cylindres par exemple, où les pulsations sont plus faibles, on peut observer une combustion constante de la flamme dans le sens de l'écoulement d'air. D'une façon tout à fait générale, la flamme devient de plus en plus petite à mesure que la vitesse de rotations augmente jusqu'à ce que finalement elle s'éteigne dans les perforations de la chemise. Ce comportement se produit également dans les dispositions usuelles de bougies de préchauffage, sans écrans ni cloisons protectrices supplémentaires. La déviation de l'écoulement, qui est causée par le détachement du deuxième courant partiel selon b), a pour effet que le carburant qui se vaporise sur la bougie chaude séjourne plus longtemps dans cette région qu'il ne serait possible si le premier courant partiel existait seul. L'allongement du temps de séjour favorise la préparation, l'allumage et la combustion complète du carburant injecté. Ce processus est favorisé par le fait que la flamme chauffante qui brome dans le deuxième courant partiel peut se propager, une fois ce courant sorti de l'ouverture frontale de la chemise, dans la cavité annexe où il se constitue un écoulement tourbillonnaire. I1 se forme ainsi une flamme intense qui ne s'éteint qu'au dessus de la vitesse inférieure de ralenti, même si le courant principal dans la tuyauterie d'admission est fortement pulsé. Lorsque du carburant est expulsé de l'intérieur de la chemise à travers les perforations de celle-ci, par suite des pulsations de la tuyauterie d'admission, il se produit facilement une fumée blanche bien que la flamme continue de brûler dans la cavité annexe, car beaucoup de particules de carburant expulsées ne brûlent pas correctement. On évite avantageusement ce phénomène en donnant en outre à la chemise, relativement aux parties adjacentes de la paroi de l'intérieur de la tuyauterie d'admission, une disposition telle qu'un troisième courant partiel s'écoule, transversalement à l'axe de la chemise, dans un interstice formé par une partie de la surface extérieure cylindrique de la chemise et par une partie avoisinante de la paroi, à l'intérieur de la tuyauterie d'admission. Cette caractéristique a pour effet que dans l'interstice, il ne se produit qu'une vitesse d'air relativement faible et que les pulsations n'apparaissent que sous forme amortie dans l'interstice. Par suite, la flamme chauffante remplit complètement l'interstice et se maintien; au moins jusqu a la vitesse inférieure de ralenti, de façon analogue s la flamme qui brûle dans le deuxième courant partiel. e n'est que lorsque la vitesse de rotation augmente encore, la turbulence dans la région de l'interstice atteint un degré qui amene l'extinction de la flamme. Du point de vue constructif, les conditions nécessaires à la formation de trois courants partiels sont-réali- sées sans aucune dépense supplenentaire par le fait que relativement au sommet du prolongement imaginaire d contour intérieur de la tuyauterie d'admission à l'intérieur de la chemise, l'axe de la chemise est recalé vers l'intérieur ou vers l'extérieur dans une mesure égale au maximum au rayon de la chemise et est situé dans un plan qui est au moins approximativement perpendiculaire à l'axe de la tuyauterie d'admission ou à une tangente à l'axe central de la tuyauterie d'admission. Dans une forme de réalisation préférée qui constitue un compromis avantageux entre la condition d'allumage sûr de la flamme chauffante au démarrage à froid et de la continuation non perturbée de 1 combustion de celle-ci au moins jusqu'à la vitesse inférieure de ralenti, l'axe de la chemise touche au moins approxieativement le prolongement imaginaire du contour intérieur de la tuyauterie d'admission à l'intérieur de la chemise. Le maintien d'une flamme chauffante assuré ps le troisième courant partiel, dans ce courant est avantageusement garanti par le fait que la largeur radiale de l'interstice entre la surface extérieure cylindrique de la chemise et la partie avoisinante de la paroi est comprise entre 0,05 et 0,5 fois le rayon de la chemise. Pour renforcer l'effet, deux dispositifs de chauffage du genre décrit ci-dessus peuvent aussi être prévus l'un derrière l'autre dans le parcours de l'air comburant. Avantageusementn l'un des dispositifs peut avoir une disposition telle que de préférence le premier courant partiel se forme pour assurer l'allumage de la flamme chauffante au démarrage à froid, tandis que l'autre peut avoir une disposition telle que de préférence le deuxième courant partiel, ou encore le deuxième et le troisième courants partiels, se forment pour maintenir la flamme chauffante aux vitesses de rotation plus grandes. Cette construction est avantageuse lorsqu'il se produit de fortes pulsations dans la conduite d'admission car des particules de carburant qui sont expulsées de l'un des dispositifs de chauffage par suite de ces fortes pulsations et qui donneraient donc de la fumée blanche sont brûlées par l'autre dispositif de chauffage. Avantageusement, le chauffage de l'air comburant au delà de la somme des élévations de température assurées par chacun des dispositifs peut être obtenu par le fait que deux dispositifs de chauffage du genre décrit plus haut sont disposés de façon telle que les cotés frontaux ouverts de leurs chemises soient opposés entre eux et séparés par une cavité annexe commune. Ainsi, la cavité annexe reçoit des flammes chauffantes de deux côtés, ce qui assure la grande élévation inattendue de température. Dans une forme de réalisation préférée de la disposition ci-dessus, les axes des chemises des deux dispositifs de chauffage coïncident au moins approximativement. Avantageusement, dans la disposition opposée l'allumage d'une flamme chauffante au démarrage à froid ainsi que la continuation de la combustion d'une flamme chauffante à plus grande vitesse de rotation peuvent être favorisés par le fait que les axes des deux dispositifs de chauffage soient décalés l'un par rapport à l'autre de façon telle que l'un des dispositifs soit plus rapproché de l'intérieur de la conduite d'admission et que l'autre dispositif en soit plus éloigné. On obtient avantageusement un effet d'allumage sur de la flamme chauffante au démarrage à froid si le décalage de l'axe de la chemise, la vitesse moyenne du courant d'air principal dans la tuyauterie d'admission et la position des perforations radiales sont harmonisés entre eux, quant à l'action exercée par le courant d'air principal. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et représenté au dessin annexé plusieurs formes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une coupe agrandie du dispositif selon l'invention suivant la ligne I-I des figures 4 et 5 La figure 2 montre la disposition du dispositif de chauffage dans un coude de la tuyauterie d'admission d'air ; La figure 3 montre la disposition de deux dispositifs de chauffage placés l'un derrière l'autre dans le parcours de l'air comburant La figure 4 est une coupe d'une tuyauterie d'admission d'air relativement large, suivant la ligne IV-IV de la figure 1 ; La figure 5 est une coupe d'une tuyauterie d'admission d'air relativement étroite, suivant la ligne IV-IV de la figure 1 ; La figure 6 montre une disposition dans laquelle deux dispositifs de chauffage sont opposés. Les dispositifs de chauffage selon l'invention sont essentiellement formés par une bougie de préchauffage 2 située à l'intérieur de la tuyauterie d'admission d'air 1 du moteur à combustion interne non représenté par ailleurs et entourée d'une chemise cylindrique 4 munie de perforations radiales 3 et ouverte du côté frontal 5. Figures 1 et 4 le mot "radial1, doit s'entendre en ce sens que les perforations 3 sont distribuées à la circonférence cylindrique 6 de la chemise 4 et que les axes des perforations coupent l'intérieur de la chemise 4.La circonférence cylindrique 6 peut être garnie à peu près complètement de perforations 3 comme on l'a représenté, ou encore-partiellement seulement' A l'intérieur de la chemise 4, dans la direction de son axe 7, on injecte au moins au démarrage du carburant qui s'allume sur la bougie 2 et fournit, par sa combustion, la chaleur nécessaire pour préchauffer l'air comburant.La chemise 4 est disposée relativement aux parties adjacentes de paroi, par exemple relativement à la partie 8 de l'intérieur de la tuyauterie d'admission d'air 1, de façon telle que dans la région de la chemise 4, il se forme les courants partiels suivants du courant principal A d'air admis ou air comburant : a) un premier courant partiel dirigé transversalement à l'axe de la chemise et traversant au moins une partie des perforations 3 comme le montre la figure 1 b) un deuxième courant partiel qui, comme le montre la figure 4, se détache du courant partiel a) à l'intérieur de la chemise 4, à peu près parallèlement à l'axe 7 de la chemise et sort par le c8té frontal ouvert 5 de la chemise 4 pour entrer dans une cavité annexe 9 de la tuyauterie 1, qui n'est pas atteinte par le courant principal A. c) un troisième courant partiel qui s'écoule transversalement à l'axe 7 de la chemise, dans un interstice 10, comme le montre la figure 1. L'interstice 10 est formé par une partie de la périphérie cylindrique 6 de la chemise et de la partie avoi- sinante de la paroi 8 et est situé à l'intérieur de la tuyauterie d'admission d'air 1. Dans les exemples de réalisation représentés dans les figures 4, 5 eut 6, l'axe 7 de la chemise touche approXi- mativement le prolongement du contour intérieur de la tuyauterie 1 à l'intérieur de la chemise 4. Mais l'axe 7 de la chemise peut aussi être décalé vers l'intérieur ou vers l'extérieur, relativement au soumet 11 du contour intérieur de la tuyauterie 1; d'une distance correspondant au rayon de la chemise 4. L'axe 7 de la chemise est situé dans un plan 12 perpendiculaire à l'axe 13 de la tuyauterie d'admission d'air 1. Mais le plan 12 peut aussi, comme le montre la figure 2, être perpendiculaire à une tangente 14 menée à l'axe central 15 de la tuyauterie 1. Dans les formes de réalisation des figures 1, 4, 5 et 6, l'interstice 10 a une largeur radiale représentant environ 1/10 du rayon de la chemise 4 mesuré entre la circonférence cylindrique 6 de la chemise et la partie avoisinante de la paroi 8. Le diamètre intérieur de 70 nx indiqué sur la figure 4 se réfère à une tuyauterie d'admission d'air de moteurs diesel à quatre ou à six cylindres ayant une cylindrée de 3, 4 et de 5,1 litres respectivement, dans lesquels la flamme chauffante s'allume sûrement dans le couran partiel a) et se poursuit dans les courants partiels b > et c) jusqu'à une vitesse de rotation de 1500 tours/mn du moteur, sans s'éteindre. La largeur intérieure de 50 mm indiquée sur la figure 5 se réfère à une tuyauterie d'admission d'air 1 de moteurs diesel à deux et trois cylindres ayant respectivement une cylindrée de 1,7 et 2,5 litres, dans lesquelles la flamme chauffante s'allume sobrement dans le courant partiel a) et se poursuit dans les courants partiels b) et c) jusqu'à une vitesse de rotation de 2.000 tours/mn du moteur sans s'éteindre. La disposition en série de deux dispositifs de chauffage, comme le montre la figure 3, est appliquée de préférence dans les moteurs diesel mentionnés à deux ou trois cylindres lorsque les exigences quant à la possibilité de démarrage à froid sont élevées, tandis que la disposition opposée de la figure 6 s'applique de préférence dans les moteurs diesel mentionnés à quatre et six cylindres, dans les memes conditions. Aussi bien dans la disposition en série que dans la disposition opposée, l'un des dispositifs chauffants peut être décalé, relativement aux positions des figures 3, 4, 5 et 6, au maximum d'une distance égale au rayon de la chemise en direction du milieu de la tuyauterie d'admission d'air, pour favorIser un allumage sûr de la flamme chauffante dans le courant partiel a > tandis que l'autre dispositif de chauffage peut être décalé vers l'extérieur relativement à la position représentée, au maximum d'une distance égale au rayon de la chemise, en partant du centre de la tuyauterie 1, de manière à assurer une continuaticn autant que possible non perturbée de la flamme chauffante dans la région des courants partiels b) et c). I1 est apparu que pour l'allumage de la flamme chauffante, il faut une vitesse déterminée du courant principal A ou du courant partiel ar qui en dépend. D'autre part, l'allumage de la flamme chauffante réussit d'autant plus facilement que l'axe 7 est situé davantage vers le centre de la tuyauterie 1, relativement au sommet il. On peut obtenir le même effet en décalant la chemise 4 en direction de l'axe 7 de sorte que davantage de perforations 3 redoivent le courant d > air principal A et que le courant partiel a) peut mIeux se constituer.A cet effet, la chemise 4 est fixée à l'aide d'un blocage par vis et écrou 16 de telle sorte su'après avoIr desserré l'écrou 16, on peut la faire coulisser dans la direction de l'axe 7. Conformément à la dépendance mutuelle des positions de l'axe 7, de la chemise 4 et des perforations 3 relativement à la grandeur de la vitesse de l'air dans la région de ces éléments, on peut opérer une harmonisation mutuelle en vue d'un allumage sûr de la flamme chauffante.Ainsi par exemple, il peut devenir nécessaire, avec le diamètre intérieur de 70 sm, de disposer l'axe 7 plus vers le centre qu'avec le diamètre de 50 km. Comme on l'a déjà dit plus haut, en particulier avec de petits nombres de cylindres, il se produit dans la tuyauterie d'admission d'air 1 de fortes pulsations qui font osciller la flamme chauffante dans un sens et dans l'autre comme le montre la figure 1. Sur celle-ci, le contour 17 de la flamme chauffante est représenté dans une position en trait plein et dans l'autre position en tireté. En outre, sur la figure 1, on a indiqué par + et par - les zones de surpression et de dépression qui causent l'apparition des courants partiels a), b) et c).L'inten sité des pulsations du courant d'air principal A ne dépend pas seulement du nombre des cylindres, de la section relative de la tuyauterie et de la vitesse relative de rotation du moteur, mais aussi de phénomènes de réflexion dans la tuyauterie 1. Pour cette raison, il est possible d'influencer les conditions d'allumage et de maintien de la flamme chauffante en modifiant la position du ou des dispositifs de chauffage le long de l'axe 13 ou de la ligne centrale 15.D'autres possibilités d'influencer les conditions susdites consistent à modifier le mode de disposition du filtre à air, la position des tubulures de dérivation menant aux différents cylindres et à prendre toutes les autres mesures qui modifient le comportement de réflexion et d'écoulement de la tuyauterie d'admission d'air. Enfin, on peut faire tourner l'axe 7 dans le plan 12 autour de l'axe 13 pour obtenir la combustion la plus avantageuse de la flamme chauffante. Dans le cas de tuyauteries d'admission d'air dans lesquelles les tubulures de dérivation menant aux différents cylindres débouchent dans la région inférieure, les positions suivantes sont apparues avantageuses : pour les moteurs à quatre et à six cylindres, la position latérale haute opposée aux embouchures,de manière à mieux uniformiser les températures d'aspiration avant l'entrée dans chaque cylindre. Dans les moteurs à deux et trois cylindres, la position latérale opposée aux embouchures ainsi que la position transversale basse, car dans ces positions, le carburant éventuellement non brulé peut être mieux capté. L'invention n'est pas limitée à la disposition indiquée de la chemise. Par exemple, on peut prévoir aussi à l'intérieur de la tuyauterie d'admission d'air des portions de paroi entourant la chemise 4 et qui, par exemple dans le cas d'un axe de chemise 7 qui se dirige vers la ligne centrale de la tu yauterie d'admission d'air, donnent les courants partiels a) etb) et/ou c > . REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage de l'air comburant d'un moteur à combustion interne, essentiellement formé d'une bougie de préchauffage située à l'intérieur de la tuyauterie d'admission d'air du moteur à combustion interne et entourée d'une chemise cylindrique munie de perforations radiales et ouverte sur un côté frontal, du carburant étant injecté à l'intérieur de la chemise lors du démarrage, s'allumant sur la bougie de préchauffage et fournissant par sa combustion la chaleur nécessaire au préchauffage de l'air admis, caractérisé par le fait que la chemise est disposée, relativement à des parties adjacentes de la paroi, à l'intérieur de la tuyauterie d'admission d'air, de façon telle que dans la région de la chemise on obtienne au moins les courants partiels suivants du courant principal de l'air comburant : (a) un premier courant partiel qui s'écoule transversalement à l'axe de la chemise et qui traverse une partie des perforations radiales de la chemise, (b) un deuxième courant partiel qui se détache du premier à l'intérieur de la chemise, à peu près parallèlement à l'axe de celle-ci et qui sort par le côté frontal ouvert de la chemise pour entrer dans une cavité annexe de la tuyauterie d'admission qui n'est pas atteinte directement par le courant principal de l'air comburant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la disposition de la chemise relativement aux parties adjacentes de paroi, à l'intérieur de la tuyauterie d'admission d'air, est en outre telle qu'un troisième courant partiel (c) s'écoule, transversalement à l'axe de la chemise, dans un interstice formé par une partie de la surface extérieure cylindrique de la chemise et par une partie avoisinante de la paroi, à l'intérieur de la tuyauterie d'admission. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'axe de la chemise est décalé vers l'intérieur ou vers l'extérieur, relativement au prolongement imaginaire du contour intérieur de la tuyauterie d'admission à l'intérieur de la chemise, d'une distance égale au maximum au rayon de la chemise et est situé dans un plan qui est au moins approximativement perpendiculaire à l'axe de la tuyauterie d'admission ou à une tangente à l'axe central de la tuyauterie d'admission. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'axe de la chemise touche au moins approximativement le prolongement imaginaire du contour intérieur de la tuyauterie d'admission à l'intérieur de la chemise. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la largeur radiale de l'interstice entre la surface extérieure cylindrique de ia chemise et la partie adjacente de paroi est comprise entre 0,05 et 0,5 fois le rayon de la chemise. 6e Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que deux dispositifs de chauffage sont prévus l'un derrière l'autre dans le parcours de l'air comburant. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'un des dispositifs est placé de façon telle que de préférence le premier courant partiel se forme pour assurer l'allumage de la flamme chauffante au démarrage à froid, tandis que l'autre a une disposition elle que de préférence le deuxième courant partiel, ou encore le deuxième et le troisième courants partiels, se forment pour maintenir la flamme chauffante aux vitesses de rotation p'us grandes. 8. Dispositif selon l'une deX revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que deuy dispositifs de chauffage sont disposés de façon telle que les côtés frontaux ouverts de leurs chemises soient opposés entre eux et séparés La ne cavité annexe communie, 9.Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les axes des chemises des deux dispositifs de chauffage coincident au moins approximativement e 10. Dispositif selon ij revendication 8, caractérisé par le fait que ins axes des chemises des deux dis positifs de chauffage sont décalés relativement de façon telle que l'un des dispositifs soit plus rapproché de l'intérieur de la tuyauterie d'admision et que l'autre dispositif en soit plus éloigné, 11. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le décalage de l'axe de la chemise, la vitesse moyenne du courant d'ir prlrl atr do la tuyauterie d'adm5csion et ia position des perforations radiales quant à l'action du courant d'arr principal sont harmonisés entre eux. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les parties avoisinantes de paroi sont formées par une chemise supplémentaire qui entoure la première.