Brevet FR2262195A1 — publié le 19750919

La présente invention, due à la collaboration de Monsieur Claude HENAULT, se rapporte à un moteur à combustion interne du type dit à charge stratifiée, utilisant deux combus-tibles, de préférence de lthydrogene et un hydrocarbure liquide classique. Une charge stratifiée admise l'intérieur d'un moteur à combustion interne est une charge comportant au moins une partie dans laquelle le combustible se trouve à la richesse d'inflammation. On peut rappeler que la richesse d'inflammation d'un mélange homogène d'air et d'un combustible pour une température donnée est la proportion de combustible permettant la propagation d'une flamme ou sein du mélange, par l'intermédiaire ou non d'une énergie externe (une bougie d'allumage par exemple). On a déjà entrepris de nombreuses recherches dans le domaine des moteurs à charge stratifiée utilisant des hydrocarbures liquides ou gazeux et de nombreuses solutions ont été envisagées, mais on n'a pas encore réussi b effectuer une stratification efficace de la charge. Cette stratification efficace consiste à former autour du point d'allumage un noyau se trouvant à une richesse d'inflammation correcte, l'énergie dégagée par la combustion de ce noyau étant de plus suffisante pour assurer la propagation de la flamme dans le reste de la charge. En ce qui concerne les hydrocarbures liquides, on sait qu'un rapport d'air à combustible d'environ 15/1 est le rapport optimal pour obtenir son inflammation au contact d'une étincelle, par exemple celle fournie par un systeme d'allumage classique. On sait également qu'au-dessus du rapport 18/1, il devient difficile d'enflammer ce mélange autrement que par l'intermédiaire d'une flamme vive. L'utilisation d'un mélange air et combustible liquide classique nécessite de longs temps de préparation dus à trois phases absolument nécessaires en vue d'obtenir l'inflammation du mélange, à savoir - la vaporisation du combustible liquide (il peut cependant dans certains cas être mélangé tout pulvérisé) - l'homogénéisation du mélange - l'élévation de la température du mélange (de façon à atteindre une température suffisante pour assurer la propagation de la flamme). Les temps de préparation étant longs vis à vis des temps impartis par la vitesse de rotation des moteurs, l'introduction d'une partie de charge à richesse voisine du mélange stoechiométrique dans une partie de charge à richesse bien inférieure doit donc etre faite suffisamment tat pour assurer les trois fonctions précédemment citées. I1 devient très difficile dans ces conditions d'éviter un certain melange des deux parties de la charge qui doivent évidemment se trouver au contact l'une ou l'autre pour que la combustion de la charge complète puisse s'effectuer. Le mélange des deux parties de la charge qui se produit alors nécessairement diminue la richesse de la partie riche de la charge et augmente la richesse de la partie pauvre, ce qui va à l'encontre du but recherché de stratification. On connaît par ailleurs les difficultés dues à la mauvaise vaporisation et la mauvaise homogénéisation par manque de temps qui surviennent dans les moteurs à combustion interne dont l'alimentation est réalisée par injection directe dans les cylindres. Une mauvaise vaporisation et une mauvaise homogénéisation sont également cause de difficultés importantes dans les moteurs dits "Diesel" dans lesquels il est nécessaire de réaliser des injections à des pressions supérieures à 150 kg/cm2 pour pulvériser le combustible. Les régimes de pleine charge ne peuvent pas être réalisés pleinement par manque d'homogénéisation. Le moteur à combustion interne à charge stratifiée suivant la présente invention est pourvu d'un système d'alimentation permettant d'éviter les inconvénients dus à la mauvaise vaporisation et à la mauvaise homogénéisation de la charge des moteurs à charge stratifiée connus et utilisant un hydrocarbure liquide comme carburant. Le moteur à charge stratifiée objet de la présente invention comporte une alimentation principale en un mélange pauvre d'un premier combustible liquide et d'air et comportant une injection indépendante dans la zone de l'allumage d'un deuxième combustible à l'état gazeux et à la richesse d'inflammation de ce combustible au moment de cet allumage. Le combustible gazeux préféré est de l'hydrogène, dont l'avantage est d'etre un combustible gazeux dont les mélanges avec l'air s'enflamment dans une plage importante de concentrations (entre 4 et 75% de combustible dans l'air). D'autre part, l'hydro- gène gazeux en présence d'air conserve ses propres caractéristiques d'inflammation en présence ou non d'un autre mélange combustible. Par conséquent, un mélange d'air et d'hydrogène a concentration voisine du mélange stoechiométrique ne risque pas de descendre au-dessous de la concentration d'inflammation par diffusion dans le reste de la charge introduite dans le moteur. L'injection indépendante d'hydrogène peut donc etre réalisée sans précautions importantes de dosage, en donnant unméIange parfaitement et totalement combustible dans la zone d'allumage de la chambre, cet allumage étant effectué par l'inter- médiaire d'une énergie externe ou par auto-inflammation. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire, à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif, deux modes de réalisation pris comme exemple et représentés sur le dessin annexé, sur lequel la fig. I est une vue en coupe suivant I- de la fig. 2 de la chambre de combustion d'un premier mode de réalisation du moteur à charge stratifiée suivant la presente invention; la fig. 2 est une vue de dessous suivant la coupe II-II de la fig. 1; la fig. 3 est une vue suivant la coupe III III de la fig. 4 de la chambre de combustion d'un deuxième mode de réalisation d'un moteur à charge stratifiée suivant la présente invention; la fig. 4 est une vue de dessous suivant la coupe IV-IV de la fig. 3. Sur la fig. 1 est représentée une coupe de la partie supérieure d'un moteur à combustion interne. Un conduit d'admission 1, obturée par une soupape d'admission 2 est prévue pour réaliser ltadmission principale d'un mélange air-hydrocarbure liquide dans une chambre de combustion 3. Une bougie 4, vissée dans une culasse 5, est responsable de l'allumage. La référence 6 désigne un injecteur électromagnétique également vissé dans la culasse 5 et débouchant dans la chambre de combustion 3. Un détendeur 7 alimente l'injecteur 6 en hydrogène gazeux par l'intermédiaire d'un tube 8 à partir d'un réservoir d'hydrogène 9. La fig. 2 représente une vue de dessous schématique de la chambre de combustion 3, montrant les emplacements relatifs de la soupape d'admission 2 de la bougie 4, de l'injecteur d'hydrogène 5 et d'une soupape d'échappement 10. En se référant maintenant aux fig. 3 et 4, un canal 11 fait communiquer la chambre de combustion principale 3 avec une préchambre de combustion 12. Dans cette préchambre 12 sont installés une bougie d'allumage 4 et un injecteur 6 a commande électromagnétique. Dans les deux modes de réalisation de moteur d charge stratifiée décrits précédemment, un mélange d'air et d'hydrocarbure liquide est réalisé, de façon classique par exemple au moyen d'un carburateur, puis introduit dans le---conduit d'admission 1 en un mélange aussi homogène que possible et de richesse inférieure à celle du mélange stoechiométrique (dans un rapport de comburant à- combustible de 22/1 par exemple). Une certaine pulvérisation est obtenue au passage de la soupape 2 avant l'admission dans le cylindre. Lorsque la phase de compression s'effectue pour finalement former la chambre de combustion 3, une charge-d'hydro- gène est injectée par l'injecteur 6 au voisinage immédiat de la bougie 4, l'injecteur 6 étant alimenté à partir d'une bouteille de stockage 9 et commandée électroniquement. Lorsque l'étincelle d'allumage est réalisée, elle enflamme le mélange d'hydrogène et d'air à proximité et la combustion de ce mélange enflamme par l'énergie qu'elle dégage le mélange normal pauvre d'hydrocarbure et d'air dans le reste de la chambre de combustion. La quantité d'hydrogène injectée doit être suffisante pour assurer un mélange d'hydrogène et d'air au voisinage de la bougie d'allumage avec une concentration d'hydrogène d'au moins 10% en volume. I1 suffit d'assurer une concentration de 10% en volume dans seulement 15% à 20% de la charge principale pour assurer l'allumage et la propagation de la flamme dans le reste de la charge. Ceci représente pour un moteur de 0,5 litre de cylindrée unitaire une quantité d'hydrogène de l'ordre de 0,02 g d'hydrogène, ce qui est une quantité très faible. Le moteur a combustion interne représenté sur les fig. 3 et 4 représente une solution plus élaborée pour limiter géométriquement l'injection d'hydrogène et assurer l'allumage dans une préchambre de combustion 12. Le volume où sera injectée la charge d'hydrogène est séparé du reste de la charge afin d'éviter une diffusion importante de lthydrogène dans la charge principale et par conséquent la consommation d'une trop grande quantité d'hydrogène pour rester à la limite d'inflammation. Cette disposition permet de diminuer encore la charge d'hydrogène introduite dans la chambre de combustion. Mais, l'invention n'est pas limitée à la recherche de la quantité minimale d'hydrogène à injecter pour assurer l'inflammation de la charge totale, et l'on peut bien évidemment utiliser toute les concentrations inflammables d'hydrogène. La souplesse de l'utilisation de l'hydrogène comme combustible gazeux permet de pouvoir injecter soit une quantité fixe, soit une quantité variable d'hydrogène, en fonction de la vitesse et de la charge du moteur. Dans ce dernier cas, le système électronique de déclenchement de l'injecteur 6 sera plus complexe que dans le cas d'une injection constante. Les deux modes de realisation décrits précédemment sont relatifs à des moteurs à combustion interne à allumage commandé, mais l'application de l'invention ne se limite pas à ces moteurs. En effet, on peut réaliser des moteurs à combustion interne suivant la présente invention et à allumage par compression. Dans les modes de réalisation décrits précédemment, la bougie d'allumage 4 sera alors remplacée par un injecteur classique de gas-oil pour moteur "Diesel". L'allumage sera alors réalisé par compression de la charge d'hydrogène. La facilité d'inflammation de l'hydrogène, même en faible quantité, permet d'assurer une combustion avec un taux de compression relativement bas. Le démarrage à froid des moteurs de type "Diesel't se trouve ainsi facilité. Des combustibles plus lourds pourront être utilisés dans ces moteurs sans en affecter le rendement. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à charge stratifiée comportant une alimentation principale en un mélange pauvre d'un premier combustible et d'air et caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif d'injection indépendante dans la zone d'allumage d'un deuxième combustible à l'état gazeux, à la richesse d'inflammation de ce combustible au moment de cet allumage. 2. Moteur à combustion interne à charge stra- tifiée selon la revendication l,-caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif d'allumage commandé par bougie et que le dispositif d'injection est disposé de façon à réaliser ladite injection dans la zone de la bougie. 3. Moteur à combustion interne à charge stratifiée selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit moteur est un moteur à allumage par compression et que le dispositif d'injection est prévu pour effectuer ladite injection dans la zone de début d'inflammation de la charge. 4. Moteur à combustion interne à charge stratifiée selon l'une quelconque des revendicationsl à 3, caractérisé par le fait qu'une préchambre communiquant avec la chambre de combustion est prévue et que les dispositifs d'injection et d'allumage du combustible gazeux sont prévus dans cette préchambre. 5. Moteur à combustion interne à charge stra fiée suivant l'une quelconque des revendicationls précédentes, caractérisé par le fait que le combustible gazeux est de l'hydro- gène. 6; Moteur à combustion interne à charge stratifiée suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'un injecteur électromagnétique alimenté par une bouteille réservoir d'hydrogène est-prévu pour effectuer le dosage de l'hydrogène dans la charge stratifiée.