Brevet FR2352956A1 — publié le 19771223

L'invention a pour objet un dispositif pour le chauffage du mélange air-carburant d'un moteur à combustion interne ayant un allumage extérieur commandé, dispositif comprenant un échangeur de chaleur chauffé par les gaz d'échappement et mis en circuit lors du fonctionnement au ralenti entre le carburateur et la tubulure d'aspiration du moteur, échangeur dans lequel le mélange soumis à la dépression d'aspiration du moteur est chauffé par de nombreux tourbillonnements et inversions de sens. De tels dispositifs sont appliqués en vue d'obtenir dans les cylin dres d'un Moteur, la combustion complète du mélange par vaporisation des gouttelettes de carburant qui y sont contenues. De ce fait, le contenu des gaz d'échappement en oxyde de carbone (CO) et en oxydes d'azote (nô1) doit être réduit.Le chauffage du mélange est avantageux en particulier lors du fonctionnement au ralenti du moteur, en raison du fait qu'en règle générale, dans ces conditions de fonctionnement, la température nécessaire à une vaporisation complète du carburant n'est pas atteinte durant la course de com- pression, de sorte qu'au cours du temps d'explosion qui y fait suite la com- bustion ne se déroule qu'imparfaitement et qu'également seulement une faible température de combustion est atteinte. Selon l'état actuel de la technique (Demande allemande mise à la pn- blication préalable nO 1 526 657), on connaSt un dispositif du genre désigné ci-dessus, dans l'échangeur de chaleur duquel le temps de séjour du mélange est extrêmeiaent court, de sorte que, dans ce cas, seule une vaporisation partielle du carburant présent dans le mélange se produit. En réalité, ne se vaporisent essentiellement, dans cet appareil, que les fractions légères (ou à faible point d'ébullition), alors que les constituants plus lourds (ou à point d'ébullition plus élevé) qui, pour la plupart, sont également visqueux, se déposent et staccumulent dans l'échangeur de chaleur.Ceci a pour conséquence qu'après un temps de service relativement court l'échangeur de chaleur et le système de canalisatiom qui lui fait suite se bouchent par aoouuula- tion des résidus de vaporisation. Selon l'état actuel de la technique, on connut également des dispositifs du genre désigné ci-dessus, dans lesquels les parcours de circulation dans ohangeur de chaleur sont si longs que le mélange est chauffé à une température excédant la limite supérieure d'ébullition du carburant. Dans oe cas, une vaporisation complète des constituants pouvant bouillir se produit effectivement. Cependant, outre les constituants pouvant bouillir, le mélange comporte également des matières ne bouillant pas qui sont constituées pour la plus grande partie par du carbone (coke de mazout) et pour une plus faible partie par des constituants inorganiques (cendres), et qui ne se vaporisent pas lers du processus de vaporisation.Ces résidus obstruent égale ment, après un temps de service relativement court, l'échangeur de chaleur et le système de canalisatiollsqni lui fait suite. La vitesse de déroulement de ce processus est fonction de l'état d'impureté du carburant utilisé. Finalement, le chauffage du mélange à une température qui n'excède que de ?eu la limite supérieure d'ébullition du carburant utilisé présente le danger que, dans le système de canalisations qui fait suite à l'échangeur de chaleur, le mélange se refroidisse à une température située au-dessous de la limite supérieure d'ébullitions de sorte que les constituants les plus lourds se condensent et se déposent dans le système de tuyauterie. Pour les raisons exposées ci-dessus, les dispositifs du genre désigné au début n'ont pas pu s'affirmer en exploitation pratique et, par conséquent, n'ont pas pu s'imposer non plus sur le marchés et cela malgré qu'une valeur notablement meilleure des gaz d'échappements qu'une plus faible consommation de carburant et que de plus hauts rendements puissent etre obtenus par le chauffage du mélange. C'est, en conséquence, un but de l'invention de fournir un dispositif du genre désigné au début perfectionné de façon telle qu'aucun sédiment préjudiciable au fonctionnement en service continu ne se forme, ni dans l'échangeur de chaleur, ni dans le système de canalisatioIequi lui fait suite. Ce but est atteint en partant d'un dispositif du genre désigné au début, grâce au fait que le parcours d'écoulement du mélange dans ltéchan- geur de chaleur est suffisamment long pour que le mélange soit surchauffé à une température située bien au-delà de la température d'ébullition du carburant, notamment à une température comprise entre 250 et 5000C. Dans le dispositif selon la présente invention, et de manière tout à fait inattendue, aucun sédiment nuisible ne se forme ni dans l'échangeur de chaleur, ni dans le système de canalisations qui lui fait suite, et cela même en fonctionnement continu de l'appareil. Ceci doit hêtre imputé essentiellement au fait que, par suite de la température relativement haute, les substances organiques ne bouillant pas, qui représentent la plus grande partie des constituants ne bouillant pas, sont dégradées. La cause à laquelle doit etre imputée cette dégradation n'est pas encore éclaircie. I1 est vraisemblable que, sous la température relativement haute, une oxydation progressive provoquée par l'oxygène existant dans le mélange se produit. Il est également possible que ces substances s'hydrogènent peu à peu et qu'elles se vaporisent sous cette forme.Par suite de la surchauffe du mélange dans l'échangeur de chaleur, la température et la capacité calorifique de oe mélange sont si élevées qu'il est inutile de craindre que puisse se produire, dans le système de canalisations faisant suite à 1' échangeur de chaleur, un refroidissement à une température inférieure à la limite supérieure d'ébul lition du carburant. Par voie de conséquence, il ne se produit pas non plus dans cette région une condensation des constituants lourds. Dans l'échangeur de chaleur seuls demeurent les constituants inorganiques non fragmentables (métaux, sels, silicates) sous la forme de oendres qui se fixent sur les parois de oet échangeur. Le voloe de ces constituants est cependant si faible qu'il ne doit pas être craint que l'échangeur de chaleur en soit chargé de manière nuisible durant toute la durée de vie d'un moteur. ainsi que les résultats d'essais l'ont montré, une combustion complète a lieu également en fonctionnement au ralenti lorsqu'un dispositif selon l'invention est utilisé sur un moteur, de sorte que dans les gaz d'échappe ment l'oxyde de carbone (CO) n'est plus décelable et que les valeurs d'osy- des d'azote (NOx) tombent à un minimum. Les constituants inorganiques non fractionnables étant retenus dans l'échangeur de chaleur, ces constituants ainsi que leurs produits de réaction ne sont plus oontenus dans les gaz d1 échappement. En raison du chauffage relativement fort du mélange, il devait être présumé que le rendement volumétrique du moteur diminue.Cepen dant, -au mois en fonctionnement au ralenti-, une élévation du rendement volumétrique est effectivement atteinte en raison de ce que, par suite de la combustion complète, le volume des gaz b1és slave à une plus grande quantité que oelle du volume de mélange, en conséquence du chauffage de ce dernier à une température relativement haute. ne manière étonnante, le mé- lange n'est pas enflammé dans 1' échangeur de chaleur, Malgré la température relativement importante des surfaces de transfert de chaleur de ce dernier. Ceci doit être essentiellement imputé à la dépression régnant dans l'échan- geur de chaleur. Afin d'éliminer également les particules solides en suspension dans le mélange entièrement vaporisé, un éjecteur que paroourt le mélange est disposé de manière appropriée dans l'échangeur de chaleur, le jet de oet éjeoteur étant dirigé vers une chambre collectrice devant l'ouverture de la- quelle ce jet est dévié latéralement, en particulier à angle droit. dn cours de la traversée de l'éjecteur, le mélange entièrement vaporisé, dans lequel des particules solides sont éventuellement en suspension, est accéléré pour atteindre une grande vitesse de déplacement. Les particules solides, soumises à cette grande vitesse de déplacement, poursuivent leur trajectoire reo- tiligne dans la région où est dévié le jet et viennent se déposer, de ce fait, dans la chambre collectrice. Lors de l'application du dispositif selon l'invention à un moteur ayant un carburateur simple, on prévoit de raccorder l'échangeur de chaleur au conduit d'aspiration, situé entre le carburateur et le moteur, par l'in termédiaire d'une conduite qui est dérivée du conduit d'aspiration à l'avant d'un volet commandé disposé dans ce conduit et qui débouche dans la conduit d'aspiration à l'arrière de ce volet, le volet étant commandé de telle sorte qu'il est fermé lors du fonctionnement au ralenti et qu'il est ouvert en fonctionnement à pleine charge.Gr ce à omette disposition, il est assuré qu'en fonctionnement au ralenti tout le mélange aspiré est dirigé par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleurs alors qu'en fonctionnement à pleine charge, au cours duquel une combustion complète du mélange est assurée sans qu'intervienne l'échangeur de chaleur, le mélange parvient directement du carburateur à la tubulure d'aspiration du moteur. Cependant, en fonctionnement à pleine charge également, un écoulement ou courant partiel du mélange est dirigé par l'échangeur de chaleur et est ajouté au mélange alimenté directement. Cet écoulement partiel très fortement chauffé accélère l'inflammation parfaite du mélange dans le cylindre. L'écoulement partiel par l'échangeur de chaleur est obtenu en raison de ce que e volet a également une certaine action d'étranglement en position ouverte, de sorte qutil en résulte une différence de pression entre les deux raocordements de la conduite dans laquelle est situé l'échangeur de chaleur.En outre, l'écoulement partiel par l'échangeur de chaleur est accru par l'effet d' in- jecteur qu'a le mélange en s'écoulant par le conduit d'aspiration. De manière appropriée, le volet est commandé par la dépression produite par le moteur. Dans le cas d'utilisation du dispositif selon l'invention en liaison avec un carburateur à gicleurs multiples, on prévoit de disposer l'échan- geur de chaleur entre l'étage de ralenti du carburateur à gicleurs multiples et la tubulure d'aspiration du moteur, alors que l'étage de pleine charge de ce carburateur est raccordé directement à la tubulure d'aspiration du moteur. En fonctionnement au ralenti, toute la veine de mélange gazeux est aspirée automatiquement, de ce fait, par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur. A pleine charge, par contre, la plus grande partie du mélange aspiré parvient directement du carburateur à la tubulure d'aspiration du moteur, alors qu'un écoulement partiel est dévié par l'échangeur de chaleur. Des avantages particuliers résultent de l'application d'un dispositif selon l'invention à un moteur à piston rotatif, le mélange étant dans ce cas dirigé par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur, tant en fonctionnement au ralenti qu'en fonctionnement à pleine charge. Ainsi qu'il est connu, la combustion doit se dérouler de manière considérablement plus rapide dans le cas de moteurs à piston rotatif que dans le cas de moteurs à pistons alternatifs, en raison de oe que le temps de séjour des gaz brûlés entre le point d'inflammation et le rejet de oes gaz y est notablement plus court. Cette diminution importante du temps de combustion peut être obtenue de maniere simple à l'aide d'un dispositif selon l'invention.Des essais ont montré que l'application d'un dispositif selon l'invention à un moteur à piston rotatif permet d'en réduire notablement la consommation de oarburant, l'expulsion de gaz d'échappement non entièrement brûlés étant simultanément évitée. Afin d'éviter que, au cours de l'utilisation du dispositif selon l'invention, le moteur s'étouffe lors de-la coupure brusque des gaz, il est en outre prévu de disposer, dans le mécanisme d'actionnement du carburateur, un élément de retard freinant le processus de rappel. Cette disposition permet d'éviter que, lors de la coupure des gaz, ne soit maintenu d'abord qu'un mélange insuffisant s'écoulant par le gicleur de ralenti, pour le remplissage du vide créé dans l'échangeur de chaleur. Par l'action de l'élément de retard, la chute de la fourniture de mélange a lieu progressivement, de sorte que le vide régnant dans 1' échangeur de chaleur peut être rempli sans que soit épuisée la quantité minimum de mélange qui est nécessaire au fonc- tionnement du moteur au ralenti. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels t - la figure 1 est une vue, en coupe longitudinale, d'un échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue du conduit d'aspiration dans lequel est disposé le volet ; et - la figure 3 est une vue du dispositif d'actionnement pour le volet. Sar la figure 1 lléchangeur de chaleur est montré dans son ensemble en 1. Celui-ci oomprend un pot d'échappement cylindrique dans lequel pénètrent les gaz d'échappement par l'intermédiaire des tubulures d'entrée 3, l'évacuation des gaz ayant lieu par les tubulures de sortie 4. Dans le volume interne du pot d' échappement 2 se trouvent des éléments de conduite ou de guidage enroulés en spirale 5 qui sont léchés de l'extérieur par les gaz d'échappement, ces éléments délimitant un espace que traverse le mélange devant être chauffé.Le mélange parvient à cet espace délimité par les éléments de guidage 5, par l'intermédiaire d'une tubulure de raccordement 6 qui, de l'extérieur, pénètre dans le volume interne du pot d'échappement 2. Les éléments de guidage 5, enroulés en hélice, communiquent une forte torsion au mélange gazeux devant être chauffé, de sorte que les gouttelettes les plus lourdes qui s'y trouvent sont projetées contre les parois extérieures de ces éléments 5 et s'y vaporisent. Â l'extrémité des éléments de guidage 5, se trouve un éjecteur 7 dont le jet de sortie est dirigé vers une chambre collectrice 8. A l'avant de cette chambre collectrice 8,le jet sortant de l'éjecteur 7 subit une forte déviation sur au moins 900, de sorte que les lourdes particules de matière solide se trouvant dans ce jet sont projetées dans la chambre collectrice 8 et s'y. déposent. Après être chauffé et débarrassé entièrement des gouttelettes de carburant ainsi que des particules de matière solide, le mélange s'échappe de l'échangeur de chaleur 1 par la tubulure de raccordement 9. Ainsi qu'on peut le voir de l'examen de la figure 1, le parcours d'écoulement du mélange est extrêmement long dans l'échangeur de chaleur, de sorte qu'il en résulte un temps de séjour relativement long du mélange dans l'échangeur. Ce temps de séjour suffit à ce que la température du mélange en contact avec les parois des éléments de guidage 5, qui sont chauffés par les gaz d'échappement, soit élevée bien au-delà de la limite supérieure d'ébullition du carburant contenu dans le mélange devant être chauffé, cette température pouvant être comprise, par exemple, entre 250 et 5000C. Sous de telles températures, non seulement les constituants fluides du mélange sont entièrement vaporisés dans l'échangeur de chaleur, mais également les constituants ne subissant pas d'ébullition sont dégradés en un faible résidu cendreux.Ce résidu cendreux se dépose sur les parois des éléments de guidage 5 ou dans la chambre collectrice 8. Sur la figure 2 est représenté le raccordement de 1'échangeur de chaleur 1 montré sur la figure 1 au conduit d'aspiration 12 se trouvant entre la tubulure d'aspiration 11 du moteur et le carburateur 10. Dans le conduit d'aspiration 12 se trouve un volet 13 qui est actionné, comme décrit plus en détail ci-après, par l'intermédiaire d'un levier d'actionnement 14. A l'avant du volet 13, une conduite 15 est branchée sur le conduit d'aspiration 12, cette conduite menant à la tubulure de raccordement 6 de l'échangeur de chaleur 1. A l'arrière du volet 13, une conduite 16 débouche dans le conduit d'aspiration 12, cette conduite étant reliée à la tubulure de raccordement 9 de l'échangeur de chaleur 1. Ainsi qu'il apparatt sur la figure 2, tout le mélange s'écoule par l'échangeur de chaleur 1 lorsque le volet 13 est fermé. Si, par contre, le volet 13 est ouvert, la plus grande partie du mélange va directement du carburateur 10 à la tubulure d'aspiration ll du moteur, pendant que seule une faible partie du mélange passe par l'échangeur de chaleur 1. La figure 3 montre comment le volet 13 est actionné. Â cet effet, le levier d'actionnement 14 du volet 13 est relié à un piston 17 qui coulisse dans une chemise cylindrique 18. La chambre de pression 19 de cette chemise cylindrique 18 est soumise à la dépression produite par le moteur de telle sorte que le volet 13 s'ouvre lors du fonctionnement à pleine charge et qu'il est fermé en cas de fonctionnement au ralenti. RVENDICATIONS 1. Dispositif pour le chauffage du mélange air-carburant d'un moteur à combustion interne ayant un allumage extérieur commandé, lequel dispositif comprend un échangeur de chaleur chauffé par les gaz d'échappement et mis en circuit lors du fonctionnement au ralenti entre le carburateur et la tubulure d'aspiration du moteur, le mélange soumis à la dépression d'aspiration du moteur étant chauffé dans l'échangeur de chaleur par de nombreux tourbillonnements et inversions de sens, caractérisé en ce que le parcours d'écoulement du mélange dans l'échangeur de chaleur est suffisamment long pour que le mélange soit surchauffé bien au-delà de la température d'ébullition du carburant, notamment à une température comprise entre 250 et 500Ce 2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'est disposé dans l'échangeur de chaleur un éjecteur que traverse le mélange et dont le jet est dirigé sur une chambre collectrice devant l'ouverture de laquelle le jet est dévié latéralement1 notamment à angle droit. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est raccordé au conduit d'aspiration situé entre le carburateur et le moteur par 1' intermédiaire de conduites dont l'une est branchée sur le conduit d'aspiraticn devant un volet commandé qui est disposé dans ledit conduit d'aspiration et dont l'autre débouche derrière ledit volet dans ce conduit d'aspiration, le volet étant commandé de telle sorte qu'il est fermé lors du fonctionnement au ralenti et ouvert lors du fonctionnement à pleine charge. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le volet est commandé par la dépression produite par le moteur. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 et utilisé en liaison avec un carburateur à gicleurs multiples, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est situé entre l'étage de ralenti du carburant teur à gicleurs multiples et la tubulure d'aspiration du moteur, tandis que l'étage de pleine charge du carburateur à gicleurs multiples est raccordé directement à la tubulure d'aspiration du moteur. 6. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, carac- térisé par l'utilisation sur un moteur à piston rotatif, le mélange étant dirigé par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur, non seulement lors du fonctionnement au ralenti, mais également en fonctionnement à pleine charge. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un élément de retard freinant le processus de rappel est disposé dans le mécanisme d'actionnement du carburateur.