Brevet FR2364332A1 — publié le 19780407

DESCRIPTION L'invention concerne le système de combustion des moteurs à explosions à 4 temps et permet de transformer économiquement les moteurs classiques en moteurs à charge stratifiée constituée par deux couches superposées de richesse décroissante. Ce dispositif permet la combustion en deux étages successifs. Le premier est constitué par une chambre de précombustion et ses quipements, exté- rieure au moteur. On l'alimente séparément avec un mélange air/essence l gèrement riche et facile à enflammer. Ces gaz allument à leur tour le mélange pauvre du second étage qui est constitué par la chambre de combustion du moteur. Actuellement nous trouvons deux types de moteurs à explosions : 1 Les moteurs classiques à une chambre de combustion. 20 Les moteurs à charge stratifiée possédant tous une chambre de précom -bustion loge dans la culasse et alimente soit par une 3e soupape ou par un injecteur. Ces moteurs sont commercialisés ou au stade expErimental. 10 les moteurs classiques à une chambre de combustion utilisent les mé- langes air/carburant suivants : - la richesse 1 a lieu pour le mélange de 15 g d'air avec 1 g d'essence, c'est la combustion thRorique idéale fournissant 837 cal/litre, le mélange est appelé stochiométrique. - la richesse 1,4 est utilise pour la marche au ralenti et aussi à l'ae- célération (excès de carburant). - la richesse 0,9 est utilisée pour la marche normale (excès d'air). - la richesse 1,1 est utilisée pour la pleine admission. Pour la richesse 1, on a le mélange donnant le meilleur rendement et la tempZrature la plus Qlevie. Les gaz d'échappement contiennent en-oxyde de carbone CO, oxydes d'azote NOx et hydrocarbures CH les quantités suivantes exprimées en grammes par cheval heure. CO environ 10 g/ch/h NOx " 9,9 g/ch/h CH n 1,7 g/ch/h Du fait de la haute température les NOx sont importants et le CO faible (bonne combustion). Peur la richesse 0.8 qui correspond à la limite d'inflammabilité du m- lange avec la bougie. CO environ 8 g/eh/h NO environ 2,7 g/ch/h x CH Zl 0,7 g/ch/h Il y a des risques de ratées d'allumage ce qui augmenterait énormément le CH et la puissance est faible. C'est cependant le mélange qui donne la combustion la moins polluante si lton évite les rates d'allumage, Pour la richesse 1 1 CO environ 50 g/ch/h NOx " 6 g/ch/h CH " 2,75 g/ch/h Cette richesse donne la puissance maximum au moteur et correspond à la pleine admission mais il y a des pertes de carburant CH et d'oxyde de car bone CO. Pour la richesse 1,4 CO très approximativement 300 g/ch/h NOx n l g/ch/h CH " 7,5 g/ch/h La température de combustion est faible ce qui explique le faible NOx et les CO et CE très importants du fait de la mauvaise combustion. 20 Les moteurs à charge stratifiée Il existe un certain nombre de moteurs, ils comportent tous dans la culasse une petite chambre de combustion annexe communiquant avec la chambre principale par un canal. Dans la chambre annexe ddbouche la bougie autour de laquelle on produit une petite quantité de mélange riche facile à en flammer. Ce mélange enflamme à son tour le mélange plus pauvre de la chambre principale. Dès que l'on enrichit le mélange pour retrouver plus de puissance, le rapport surface / volume des deux chambres de combustion favorise le dépôt des CH sur les parois ce qui augmente fortement sa teneur à l'échappement ainsi que la consommation de carburant. Il faut donc maintenir des me'langes pauvres si l1on veut eonserver aux différents régimes les avantages de ce type de moteur, c1est-à-dire la pollution et la consommation réduite, mais c'est au prix d'une perte de puis- sance par rapport aux moteurs classiques. Le but de l'invention est d'étendre aux moteurs classiques les avantages des moteurs à charge stratifiez répondant beaucoup mieux aux normes antipollution et ceci d'une manière économique et éventuellement réversible. L'installation interesse les véhicules circulant principalement en ville et doit s'amortir par l'économie de carburant réaliste sur environ 10 000 km. Si cette installation peut être montée en option par le constructeur du moteur elle serait beaucoup moins conteuse du fait de la sup pression de la main-d'oeuvre nécessaire à la transformation et au montage d'origine d'un carburateur spécialement cousu à cet effet. Les effets techniques de cette installation sont les suivants 10 Abaissement du régime de ralenti sans ratées dtallumage. Le premier étage travaille seuil, le deuxième étant coupé, ceci permet dtobtenir une pollution très faible au ralenti du fait de la quantite réduite de gaz émis et de leur post-combustion dans le cylindre du moteur où lton aura conservé une légère entrée d'air pour celà. A noter que la bougie refroidie par l'admission ne pose aucun problème de perlage bien que se trouvant sur une chambre très chaude, ce qui exclut le dépôt de CH sur les parois, mais élimine toute idée d'injection d'essence sans admission d'air et limite l'adaptation aux moteurs à 4 temps. 20 En décélération (rétro), nous aurons les mêmes avantages, le 2e Stage étant coupé. 30 Economie de carburant principalement en ville où l'on pourra même r- gler la richesse du 2e étage en dessous de 0,8, ses limites dtinflamma- bilité reculant avec l'énergie de l'allumage du ler étage qui est beaucoup plus importante que celle provenant d'une bougie; Nous gagnerons aussi en souplesse du moteur. 40 La chambre de précombustion refroidie à l'air ambiant possède une très faible inertie thermique ce qui permettra des départs à froid faciles et non polluants car le ler étage fonctionnera seul. 5e Forte diminution de la pollution à basse puissance pour les gros mo tueurs du fait de la marche avec une quantité réduite de mélange rendue possible par le recul des limites d'inflammabilité. On supprimera notamment les problèmes de défaut d'allumage à très basse puissance pour une marche à ces régimes pendant de longues périodes en circulation urbaine. Le dispositif objet de l'invention comprend essentiellement une chambre de précombustion PC refroidie par l'air ambiant et constituée par un Té de pouce du commerce à l'usage de la plomberie, il est en acier moulé et peut résister à des pressions de l'ordre de 50 bars. La bougie d'allumage est montée sur la chambre PC et la liaison avec la culasse du moteur CH est réalisée à l'aide d'un tube TL qui se visse à l'emplacement de la bougie, L'alimentation en mélange air/carburant est réalisée par un ensemble comprenant une soupape automatique de diamètre 10 mm vissé sur la chambre PC, une pipe d'admission PA et un carburateur R de cyclomoteur de 50 cc réglé légèrement riche pour cet usage, ltexcès de CO et CH brillera en postcombustion dans le cylindre du moteur. Lorsque le moteur est en aspiration, la soupape automatique S stouvre et le me lange air/carburant en provenance de R remplit la chambre PC et la partie haute du cylindre moteur. A,la compression, ce mélange est refoule dans la chambre PC. Après l'allumage, l'explosion qui prend naissance dans PC se propage à travers TL dans le cylindre du moteur où ces gaz à haute énergie ont deux fonctions suivant la marche 10 Au ralenti, il n'y a pas de mélange air/carbnrant dans le cylindre mo- teur (2e étage) et les gaz poussant sur le piston assurent la marche au ralenti. 20 En accélération le mélange air/carburant du moteur (2e Stage) est alleu mé par les gaz a' haute énergie issus de la chambre de pre-combustion PC (ler étage) et permet l'allumage sans ratées pour des richesses inté- rieures ou égales à 0,8. Les limites d'inflammabilité s'écartant avec l'é- nergie libérée par l'allumage. Il faudra modifier l'alimentation du 2e étage par le carburateur du motet Le starter est devenu inutile et en position de ralenti, il faut qu'il y ait coupure de carburant. La pleine aecélération devra correspondre au lange stochiométrique pour limiter la pollution et les phenonènes de deto- nation. Pour compenser la perte de puissance, on peut prevoir 2 réglages du deuxième Stage, commutables du poste de conduite, avec 2 positions de carbu- ration qui nécessiteront un carburateur spécial : - Economique pour la ville avec mélange pauvre et sans action de la pompe de reprise, l'importante perte de puissance n'étant pas gênante. - Plus riche pour la route avec action de la pompe de reprise facilitant les dépassements. On pourra également loger dans le corps du carburateur la partie correspondant au petit carburateur R d'alimentation des chambres de pré- combustion. Si lton désire conserver le rapport volusétrique initial, il faudra monter des pistons plus hauts, ce qui peut se faire dlorigine chez le construc- teur du moteur ou à l'occasion du montage du dispositif. mais cela grevera fortement le coat de l'installation assez simple par ailleurs. Le dispositif objet de l'invention trouve son intérêt principal pour la di minution de la pollution et de la consommation de carburant en circulation urbaine. On peut faire fonctionner correctement les moteurs avec des richesses inférieures ou égales à 0,8, la paissance étant très diminuSe mais ne constituant pas une gêne en ville où la vitesse est réduite Pour la Pour la circulation sur route, on peut ainsi gagner sur la pollution et la consommation en utilisant des mélanges ne dépassant pas la richesse 1, mais c'est également un prix d'une diminution de la puissance moins necessaire avec is limitations de vitesses sur routes et autoroutes. L'usager gagnera en économie de carburant et en longévité du véhicule. Pour des mélanges plus riches que la richesse 1, on observe des détonations mécaniques très violentes probablement ducs au phénomène suivant Le système agit comme un tube fermi à une extrémité et ouvert à l'autre, dans lequel se propage une déflagration. Lorsque lton dépasse nettement le mélange stochiométriquew la vitesse de déplacement du front de flamme devient très grande et on passe au regime de la détonation. Dn peut limiter le phénomène : - en restant au voisinage du mélange stochiométrique, - en limitant le diamètre intérieur du tube BW de liaison de la chambre de précombustion à la culasse, cependant il doit rester supérieur au diamètre critique d'extinction de flamme (pratiquement compris entre 4 et 8 mml. REVENDICATION 1. Dispositif adaptable aux monteurs à explosions à 4 temps qui permet leur transformation en moteurs à charge stratifiée à deux Stages de richesse décroissante, caractérisé par le fait qu'il comporte une chambre de pré-combustion extérieure à la culasse sans que l'on ait à modifier celle-eie 2. Dispositif selon la revendication i, caractérisé par le fait que cette chambre se visse à l'emplacement de la bougie du moteur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que cette chambre possède son propre carburateur alimenté à l'essence ordinaire, l'admission étant régulée par une soupape antomatique commandé par la dépression du moteur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que cette chambre agit seule pour la marche au ralenti sans intervention du car burateur du moteur qui entrera en action à l'accAlération. So Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le mo teur peut-tre alimenté par un 2e carburant comme le gas-oil, l'alcool à brûler ou un gaz combustible peu polluant qui deviendrait ainsi le carburant principal.