Brevet FR2464377A1 — publié le 19810306

-1- L'invention concerne un moteur à combustion interne fonctionnant au gaz (stocké à l'état liquide dans un réservoir à carburant) et refroidi par eau, en particulier pour véhicules utilitaires, équipé d'un cir- cuit d'eau de refroidissement comportant un thermostat, un radiateur et une pompe à eau, équipé également d'un évaporateur de carburant chauffé par le circuit d'eau de refroidissement du moteur, d'un réchauffeur d'air d'ad- mission également chauffé par le circuit d'eau de refroi- dissement du moteur, d'un mélangeur air/gaz et d'un clapet d'étranglement disposé entre ce mélangeur et les cylindres. La préparation du mélange de carburants à haut degré d'octane, liquides à la température et à la pres- sion normales, utilisés sur les moteurs à explosion, s'effectue en général par un système carburateur ou à l'aide d'un dispositif d'injection basse-pression pour collecteur d'admission. Une transposition de tels systèmes du secteir des voitures de tourisme à celui des moteurs lents et de grosse cylindrée équipant les véhicules utilitaires pose des problèmes, car des critères d'un autre ordre comme la robustesse, la simplicité de l'entretien et des exigences d'emploi particulières sont déterminants. A ceci s'ajoute le fait que fréquemment, l'exploitation complète du potentiel théorique de puissance n'est pas recherchée. L'objet de l'invention est d'obtenir une vapo- risation sûre du carburant liquide avant l'entrée dans les organes de réglage travaillant sur la phase gazeuse et de conserver le gaz dans cette phase gazeuse jusque dans les différents cylindres, Les dispositions prévues par l'invention résol- vent ce problème par le fait qu'en dehors du circuit -2- d'eau de refroidissement, est également prévu pour le moteur à combustion interne un circuit d'eau réchauffé par une source de chaleur extérieure et possédant sa propre pompe d'alimentation, circuit d'eau monté en pa- rallèle par rapport au circuit d'eau de refroidissement et o l'eau circule dans le même sens que dans ce der- nier, et par le fait que les circuits d'eau sont en communication par une tuyauterie et que sur celle-ci est montée une vanne thermostatée permettant de piloter les deux circuits de façon telle qu'en fonction de la température, l'eau du circuit d'eau réchauffé par une source extérieure et/ou du circuit d'eau de refroidisse- ment transite par l'évaporateur de carburant et par le réchauffeur d'air d'admission, le circuit d'eau réchauf- fé par une source extérieure étant enclenché en priorité lorsque le moteur à combustion interne n'a pas encore atteint sa température de fonctionnement et le circuit d'eau de refroidissement étant enclenché en priorité lorsque cette température de fonctionnement est atteinte. Grâce à ces dispositions, le circuit d'eau de refroidissement peut être utilisé à la préparation du mélange pour le régime normale en particulier pour ce qui concerne les carburants présentant un point d'ébul- lition ou une plage d'ébullition situé au-dessous de la température de l'eau de refroidissement d'un moteur à combustion interne ayant atteint sa température de ser- vice; c'est le cas du méthanol par exemple. Par contre, lors du démarrage à froid d'un moteur, le réchauffage auxiliaire du circuit d'eau supplémentaire est enclenché avec l'allumage, un dispositif'd'arrêt bloquant alors de préférence le démarreur jusqu'à ce que soit atteinte la température de vaporisation appropriée pour l'évaporateur de carburant et qu'un thermostat libère le verrouillage du démarreur. Il peut à cet effet être utile de faire -3- exécuter plusieurs tours sans arrivée de carburant pour le réchauffage du système d'admission d'air. Durant la marche de réchauffage qui suit, le réchauffage auxiliaire demeure encore enclenché. Pour le démarrage et pour la marche, le même carburant non traité peut être utilisé. Par ailleurs, le point d'enclenchement de la vanne thermostatique peut se situer entre 5 ou 1OCplus bas que le point d'enclenchement du thermostat assurant la mise en circuit ou la mise hors circuit du radiateur dans le circuit d'eau de refroidissement. La commutation sur le circuit d'eau de refroidissement, entre temps porté à la température de service, s'effectue ainsi avant la mise en circuit du radiateur du véhicule. Par ailleurs, un autre thermostat peut, lors- qu'un seuil de température est dépassé, mettre hors circuit la source extérieure de chauffage et la pompe d'alimentation du circuit d'eau réchauffé par cette source extérieure. Pour pouvoir enclencher au choix le circuit d'eau réchauffé par une source extérieure, le circuit d'eau de refroidissement ou les deux circuits simul- tanément, la vanne thermostatique peut avoir la struc- ture d'un distributeur 3/2. Les tubes d'échappement peuvent, par ailleurs, être incorporés au circuit d'eau de refroidissement et être équipés d'une enveloppe pour l'eau de refroidisse- ment ou d'un élément similaire. Il en résulte un réchauf- fage plus rapide du circuit d'eau de refroidissement, lié à des températures de gaz d'échappement relativement basses. En outre, l'évaporateur de carburant peut être équipé d'une commande de niveau (à flotteur) pour l'ar- rivée du carburant liquide, et d'un régulateur de pres- sion pour la sortie du carburant en phase gazeuse. -4- La commande de niveau évite de façon sure une marche à plein régime du moteur en cas de vapori- sation défectueuse. Le taux de vaporisation se règle automatiquement sur la tension de vapeur. Lorsque la température de l'eau de refroidissement demeure station- naire et que le prélèvement de vapeur est faible (moteur en régime de charge partielle), la tension de vapeur augmente jusqu'au rééquilibrage; la vaporisation du carburant est donc réduite en conséquence. Il n'est pas nécessaire de recouvrir à des mesures d'isolation particulières pour maintenir le gaz en phase gazeuse jusqu'aux cylindres lorsque la dispo- sition des composants est correcte et le réchauffage de l'air d'admission et du carburant réalisé avec soin. La dépression régnant dans le système et l'abaissement du point d'ébullition qu'elle entraîne constituent une sé- curité supplémentaire contre la condensation du carbu- rant. L'alimentation en carburant liquide de l'éva- porateur de carburant peut être assurée par une pompe d'alimentation et une soupape dé surdébit peut être disposée entre la pompe et l'évaporateur de carburant. Enfin, l'invention prévoit la possibilité d'un montage sur l'évaporateur de carburant d'une sou- pape de sécurité. Le réchauffage de l'air doit, dans le cadre d'une commande en bipasse de l'eau réchauffée, être conçu de telle sorte qu'à pleine charge, ne se produise pratiquement aucune élévation de température de l'air d'admission, le réchauffage de l'air d'admission allant croissant toutefois lorsque la charge partielle augmente. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée plus en détail à l'aide d'un exemple d'exécution illus- tré par des Figures. Celles-ci représentent: -5- Figure 1, un schéma de montage d'un moteur à gaz fonctionnant au méthanol; Figure 2, un schéma d'un évaporateur conçu pour un moteur à gaz fonctionnant au méthanol. Sur le schéma de montage représenté sur la Figure 1, le carburant à l'état liquide est pompé dans un réservoir à carburant 1 par une pompe 2 qui le refou- le par une tuyauterie 3 dans un évaporateur de carburant 4. Le débit excédentaire du carburant est renvoyé au réservoir 1 par une soupape de surdébit 5 montée entre la pompe de carburant 2 et l'évaporateur de carburant 4, par l'intermédiaire d'une tuyauterie 6. De l'évaporateur de carburant 4, le carburant vaporisé, donc en phase gazeuse, parvient par un systè- me tubulaire 7 au mélangeur air-gaz 8, puis, par une tubulure d'aspiration 9, équipée d'un clapet d'étran- glement à papillon 10, aux cylindres d'un moteur à com- bustion interne 11. Le cîrcuit d'eau de refroidissement 12 du mo- teur à combustion interne 11, circuit comportant une pompe à-eau 13, peut selon une technique connue transi- ter, à la commande d'un thermostat 14, par un radiateur de véhicule 15. En dehors du circuit d'eau de refroidissement 12, est prévu un circuit d'eau supplémentaire 24 réchauf- fé par une source de chauffage extérieur. Les deux cir- cuits d'eau sont en communication par une tuyauterie 17. Sur la tuyauterie 17, est incorporée une vanne thermosta- tique 16 ayant la structure d'un distributeur 3/2 et pouvant élargir le circuit d'eau de refroidissement 12 ou commuter de telle sorte que l'eau de refroidissement soit amenée par une tuyauterie 17 à un échangeur de cha- leur 18 prévu sur l'évaporateur de carburant 4, par une autre tuyauterie 19 à un réchauffeur d'air d'admission -6- , par une tuyauterie 21 à un échangeur thermique de gaz d'échappement 22, et soit renvoyée à la pompe à eau 13 par l'intermédiaire d'une portion de tuyauterie 23. Le circuit d'eau 24 fonctionne avec une pompe d'alimentation 25 et est réchauffé par un appareil de chauffage extérieur 26 utilisant de préférence le car- burant du réservoir. Ce circuit passe également par l'échangeur thermique 18, puis gagne par la tuyauterie 19 le réchauffeur d'air d'admission 20 et revient à la pompe d'alimentation 25 par une dérivation 27 et par l'intermédiaire d'une tuyauterie de retour 28. Le point de commutation de la vanne thermosta- tique 15 se situe à:-environ 5 à 10WC plus bas que le point de commutation du thermostat 14. Suivant la posi- tion de la vanne thermostatique 16, le circuit d'eau 24 et/ou le circuit d'eau de refroidissement 12 peut transiter par l'échangeur thermique 18 de l'évaporateur de carburant 4, et par conséquent réchauffer également le réchauffeur d'air d'admission 20. Lorsque la tempéra- ture de service du moteur à combustion interne est atteinte, la source extérieure de chauffage 26 est déconnectée par un thermostat non représenté. L'évaporateur de carburant 4 représenté sur la Figure 2 comporte une cuve 29 à laquelle aboutit la tuyauterie d'arrivée de carburant 3 à fermeture comman- dée par un régulateur de niveau 30 (flotteur). Le carbu- rant est de préférence amené par le fond 31 de la cuve 29, cependant que l'eau chaude des circuits 12, 24 s'é- coule à partir du haut vers l'échangeur de chaleur 18 et réchauffe le carburant selon le principe du contre-cou- rant, c'est-à-dire que la zone la plus chaude de l'é- changeur thermique se situe toujours au voisinage de la zone de vaporisation du carburant. Pour la fourniture de -7- carburant vaporisé au mélangeur air-gaz 8, un régulateur de pression 32 à membrane est monté sur l'entrée du sys- tème tubulaire 7. Par ailleurs, l'évaporateur de carbu- rant 4 est équipé d'une soupape de sûreté 33 raccordée par une tuyauterie 34 au réservoir à carburant 1. Grâce à la commande du niveau 30, une marche à plein régime du moteur à combustion interne 11 est évi- tée de façon sûre en cas de vaporisation déficiente. Par ailleurs, sur ce système, le taux de vaporisation se rè- gle automatiquement par la tension de vapeur, c'est-à- dire que lorsque la température d'eau de refroidissement demeure stationnaire et que le prélèvement de vapeur est réduit (moteur en régime de charge partielle), la ten- sion de vapeur augmente jusqu'au rééquilibrage et jus- qu'à ce que ne soit vaporisée que la quantité de carbu- rant qui est consomméee Fonctionnement: Au branchement de l'allumage du moteur à com- bustion interne, l'appareil de chauffage extérieur 26 et la pompe d'alimentation 25 sont également enclenchés, cependant que le démarreur demeure bloqué par un organe asservi à la température ou à la pression jusqu'à ce que la température prescrite soit atteinte, dans l'évapora- teur de carburant 4 et dans le réchauffeur d'air d'admis- sion 20, par l'intermédiaire du circuit d'eau 24. La vanne thermostatique 16 interrompt à cet effet le passa- ge de l'eau de refroidissement par la tubulure 17. Le démarreur une fois débloqué (signal lumineux) le démarrage peut avoir lieu. Durant la marche de chauf- fage du moteur à combustion interne, l'appareil de chauf- fage extérieur 26 continue à fonctionner. Lorsque l'eau de refroidissement 12 atteint un seuil de température, la vanne thermostatique 16 libère le passage par la tu- yauterie 17 et ce n'est que dans la dernière phase de la -8- marche de chauffage que l'appareil de chauffage exté- rieur 26 est déconnecté et, le cas échéant, le transit de l'eau de refroidissement à travers le radiateur du véhicule rétabli par le thermostat 14. L'évaporateur de-carburant 4 et le réchauffeir d'air d'admission 20 absorbent environ 1/3 de la chaleur de l'eau de refroidissement, de sorte que la consomma- tion en énergie de ventilation est moins importante. L'échangeur thermique de gaz d'échappement 22, qui d'une part assure un chauffage plus rapide de l'eau de refroi- dissement, provoque par ailleurs un abaissement des tem- pératures élevées des gaz d'échappement, permettant de renoncer à l'installation d'un échappement sur le toit du véhicule. -9- REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne fonctionnant au gaz (stocké à l'état liquide dans un réservoir à carburant) et refroidi par eau, en particulier pour véhicules utilitaires, équipé d'un circuit d'eau de refroidissement comportant un thermostat, un radiateur et une pompe à eau, équipé également d'un évaporateur de carburant chauffé par le circuit d'eau de refroidis- sement du moteur, d'un réchauffeur d'air d'admission également chauffé par le circuit d'eau de refroidisse- ment du moteur, d'un mélangeur air/gaz et d'un clapet d'étranglement disposé entre ce mélangeur et les cylin- dres, caractérisé par le fait qu'en dehors du circuit d'eau de refroidissement (12), est également prévu pour le moteur à combustion interne (11) un circuit d'eau (24) réchauffé par une source de chaleur extérieure et possédant sa propre pompe d'alimentation (25), circuit d'eau monté en parallèle par rapport au circuit d'eau de refroidissement et o l'eau circule dans le même sens que dans ce dernier, et par le fait que les circuits d'eau (24 et 12) sont en communication par une tuyau- terie (17) et que sur celle-ci, est montée une vanne thermostatée (16), permettant de piloter les deux cir- cuits de façon telle qu'en fonction de la température, l'eau du circuit d'eau (24)réchauffé par une source extérieure et/ou du circuit d'eau de refroidissement (12) transite par l'évaporateur de carburant (4) et par le réchauffeur d'air d'admission (20), le circuit d'eau réchauffé par une source extérieure étant enclenché en priorité lorsque le moteur à combustion interne n'a pas encore atteint sa température de fonctionnement et le circuit d'eau de refroidissement étant enclenché en priorité lorsque cette température de fonctionnement est atteinte. -10- 2. Moteur à combustion interne selon la reven- dication 1, caractérisé par le fait que le point d'en- clenchement de la vanne thermostatique (16) se situe de à 10WC plus bas que le point d'enclenchement du ther- mostat (14) mettant en circuit ou hors circuit le radia- teur par rapport au circuit d'eau de refroidissement. 3. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que lors- qu'un seuil de température est dépassé, la source exté- rieure de chauffage (26) et la pompe d'alimentation (25) du circuit d'eau à réchauffage extérieur sont mises hors circuit par un autre thermostat. 4. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la vanne thermostatique (16) a la structure d'un distribu- teur 3/2. 5. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les tubes d'échappement sont intégrés au circuit d'eau de refroidissement (12) et équipés d'une enveloppe pour l'eau de refroidissement ou d'un élément similaire. 6. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'é- vaporateur de carburant (4) est équipé d'une commande de niveau (30) (à flotteur) pour l'arrivée du carburant liquide et d'un régulateur de pression (32) pour la fourniture de carburant en phase gazeuse. 7. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'ali- mentation en carburant liquide de l'évaporateur de carbu- rant (4) s'effectue par une pompe d'alimentation (2) et qu'entre la pompe (2) et l'évaporateur de carburant (4), est disposée une soupape de surdébit (5). 8. Moteur à combustion interne selon la reven- -11- dication 7, caractérisé par le fait que sur l'évapora- teur de carburant (4) est prévue une soupape de sûreté (33).