Brevet FR2470258A1 — publié le 19810529

DESCRIPTION Nous examinerons d'abord ltétat actuel des différents systèmes de carburation. Pour obtenir une combustion complète et éviter la pré sence d'oxyde de carbone dans les gaz d'échappement il ne suffit pas de doser convenablement les quantités d'air et de carburant nécessaires, il faut que ces deux composants soient uniformément et intimement mélangés. S'il est facile de mélanger deux gaz, ou un gaz et une vapeur, il est par contre très difficile de mélanger de façon homogène un gaz et un liquide. Cette difficulté se manifeste en particulier dans les moteurs à explosion alimentés par un mélange d'air et d'essence de pétrole, elle se traduit par une combustion incomplète et la présence de CO dans les gaz d'échappement ce qui augmente leur nocivité ainsi, qu a puissance égale, la consommation du moteur, deux choses très préjudiciables. Pour 1 'exposé qui suit nous prendrons comme exemple le comportement de l'essence de pétrole qui est de loin, momentané ment du moins, le carburant liquide le plus utilisé. C'est un liquide provenant de la distillation fraction- née du pétrole brut dont les vapeurs passent entre 60 et 130 OC environ. Ses différents composants sont : 1 'Hexane (C6-H14), l'Heptane (C7-H16) l'Octane (C8-H18) et le Nonane (C9-H20)- et ses caractéristiques varient suivant les proportions de chacun de ceux-ci. Comme tous les liquides son point d'ébullition s'abaisse si on réduit la pression qui s'exerce dessus, s'il est par exemple de 80 OC à la pression atmosphérique il va chuter à moins de OOC sous vide. A noter que l'essence n'a pas, comme l'eau, de point d'ébullition fixe, à la pression atmosphérique elle commence à bouillir à 600C pour finir à plus de 1300C et cela ne simplifie pas le problème de la bonne carburation. Non seulement il a été tenu compte de ces particularités lors de l'étude du dispositif faisant l'objet de la présente in vention mais comme nous le verrons plus loin, elles sont à la base même de cette étude. Un litre d'essence, soit 720 grammes, nécessite théori quement pour sa combustion 2 534 grammes d'oxygène contenus dans 11,037 K d'air, en pratique pour une bonne carburation et une bon ne combustion on multiplie ce nombre par 1,3 soit 14,348 K d'air, pour un litre d'essence, cela donne un mélange plus explosif et réduit la consommation du moteur, mais on est vite arrêté dans cette voie par le fait que le mélange ne s'enflamme plus lorsqu 'il est trop pauvre en carburant. L'expérience a démontré qu'un mélange d'air chaud et de vapeur d'essence reste inflammable avec une proportion d'air sensiblement plus élevée. L'excès d'air permet alors d'obtenir une combustion plus complète qui a pour effets 1) De réduire considérablement voire supprimer totale ment la présence d'oxyde de carbone (CO) dans les gaz d'échappement et rendre ces gaz moins polluants. 2) Améliorer le rendement thermodynamique par la combus tion du CO et ainsi, à puissance égale, réduire la consommation de carburant. Pour l'obtention de ce résultat on se heurte à de nom breuses difficultés dont la production instantanée et le dosage de la vapeur d'essence ne sont pas les moindres. Les inconvénients de ce système ont, d'une manière générale contraint les constructeurs à ne prévoir aucun réchauf fage en amont du carburateur, Air et Essence sont aspirés, dosés, mélangés à la température ambiante puis réchauffés ensuite soit par contact avec une partie de la tubulure d'échappement, soit par une circulation d'eau chaude autour de la tubulure d'admis sion. Il s'agit là d'échangeurs bien sommaires compte tenu du diamètre relativement grand de la tubulure d'admission, de sa faible longueur et du laps de temps très court de l'échange. Cela pourrait peut-être suffire pour des moteurs tour nant à régime constant, ce qui n'est pas le cas des moteurs d'au- tomobiles qui doivent satisfaire à des conditions de fonctionne ment extrêmement variables que nous allons essayer de décrire. Examinons d'abord ce qui se passe quand le moteur tour ne au ralenti (Fig 1), ce moteur du cycle à quatre temps en est à l'admission, le volet A (fig 1) du carburateur est presque fer mé, le piston W (fig 1) en descendant crée une dépression dans la tubulure d'admission C (fig 1), le mélange Air-Essence est alors fourni par le systême de ralenti débouchant en N (fig 1) et le débit réglé par une vis pointeau suffisamment connue des techniciens de la carburation pour dispenser d'une plus ample description, et l'air froid additionnel est fourni par le volet A (fig 1) qui reste très légèrement entrouvert, et ne provoque de la sorte aucun débit du gicleur principal. La pression absolue qui est en B (fig 1) sensiblement égale à la pression atmosphérique, chute en C (fig 1) à 150 ou 200 millibars environ, supposons que l'air et l'essence admis soient à une température de + 200C voici ce qui va se passer Sous l'effet de la détente l'air va se refroidir, de quelques degrés, l'essence dont une partie va s'évaporer sous cette pression réduite prendra sa chaleur de vaporisation à l'air qui ltentraîne et le refroidira encore, cette chaleur de vapori- sation étant de 117 Mth K, un litre d'essence à 720 grammes absor bera pour s'évaporer totalement 84 Mth aux 14 kilogrammes d'air ne- Cessaires à sa combustion, la chaleur spécifique de celui-ci étant de 0,25 l'évaporation totale de l'essence abaisserait la température de l'air de 240C environ. Même si une partie seulement de l'essence s'évapore compte tenu du refroidissement par la détente de l'air c'est un mélange en dessous de OOC qui va emprunter la tubulure C (fig 1) pour se rendre dans le cylindre du moteur. Quoique dans la majorité des cas cette tubulure, ou tout au moins une partie, est entourée d'eau à plus de 800C la température de sa paroi interne, compte tenu de l'inertie de la conductibilité de cette paroi, ne dépassera guère 15 à 20 degrés centigrades. Si à ce moment on accélère à fond, le volet A (fig 2) ouvert en grand ne créera plus de dépression, seul le diffuseur D (fig 2) freinera légèrement l'entrée d'air mais la pression absolue dans la tubulure d'admission C (fig 2) va remonter instantanément à plus de 900 Millibars, élevant du même coup le point d'ébullition de l'essence, celle-ci restant liquide une partie va adhérer à la paroi froide de la tubulure C (fig 2) appauvrissant le mélange jusqu'à le rendre ininflammable pendant un laps de temps très court mais juste au moment où on a besoin de toute. la puissance du moteur, ce qui est très gênant. Dans la généralité des moteurs d'automobiles cet inconvénient est corrigé par l'adjonction d'un dispositif appelé "Pompe de reprises" E (fig 2) lequel, indépendamment du. débit des orifices rigoureusement calibrés des gicleurs de marche, injecte dans la tubulure d'admission en F (fig 2) une certaine quantité de carburant d'appoint au moment de l'accélération. Cet apport s'effectue sous forme d'un jet direct, pas même émulsionné, dont la valeur reste la même que le moteur soit chaud ou froid, il se reproduit à chaque démarrage, à chaque changement de vitesse, cela constitue un gaspillage d'essence intermittent mais qui se répète à une cadence rapide en circulation urbaine et se traduit, même dans les carburateurs bien réglés, par une combustion momentanément défectueuse dloù gaspillage de carburant et pollution par l'oxyde de carbone. Une des particularités de la présente invention est précisément qu'elle permet des reprises parfaites non seulement sans appoint de carburant mais paradoxalement par un apport d'air additionnel. Il faut cependant préciser que cet air est préalablement surchauffé à une température pouvant atteindre voire dépasser 2000C par récupération dsune partie de la chaleur perdue des gaz d'échappement. Voici comment fonctionne le système d'alimentation faisant l'objet de la présente invention dans la version "Tous régimes". Nous avons vu que le réchauffement du mélange Air-essence par apport de chaleur extérieure soit par circulation d'eau autour de la tubulure deadmission (Systême très lent à se mettre en actison), soit par un point chaud en contact avec le collecteur d'échappement, ne peut pas répondre instantanément à un besoin brusque d'élévation de température, il y aura toujours l'inertie de la conductibilité du métal composant la paroi de cette tubulure, de plus ce type de réchauffement n'a d'effet que sur la périphérie de la colonne gazeuse. Cet inconvénient est éliminé dans le système d'alimen- tation faisant l'objet de la présente invention puisque la chaleur transmise par un fluide caloporteur, en ltoccurence l'air additionnel, préalablement chauffé à 2000C ou plus, est incorporée directement dans la masse même du mélange Air-Essence sans que son action soit freinée par la traversée d'une paroi si mince soit-elle. Ainsi, au ralenti, contrairement aux systèmes connus jusqu'ici, la tubulure d'admission se trouve chauffée intérieurement. A la condition d'être portée à une température suffisante pour qu'une partie de l'essence contenue dans le mélange puisse se vaporiser à son contact sous la plus haute pression, c'est à dire proche de la pression atmosphérique, se manifestant dans cette tubulure C (fig2), celle-ci ne provoquera aucune retenue de carburant lors d'une accélération si brusque soit-elle et, l'expérience l'a confirmé, la reprise s'effectuera très correctement sans le moindre apport de carburan-t d'appoint, nous chiffrerons plus loin les températures à obtenir. Le mélange Air-Vapeur d'essence s'homogénéisant mieux que le mélange Air-Essence liquide la combustion sera complète ou presque, et ceci se traduit-finalement par 1) Une réduction massive voire même la suppressicn totale du CO dans les gaz d'échappement, 2) Une économie de carburant. Voici des détails plus précis sur le fonctionnement du dispositif faisant ltobjet de la présente invention. L'air surchauffé, par exemple vers 2000C est fourni par un échangeur de température efficace combiné avec la tubulure ou le collecteur d'échappement, voire en G (fig 3-4-5); l'air frcid entre en S (fig 3-4-5) il est recueilli surchauffé dans la tubulure U (fig 3-4), qui le conduit au doseur P (fig 3-4) dont l'ouverture est sychroniséeavec celle du volet d'accélérateur A (fig 3-4) dosant l'air carburé. La tubulure U (fig 3-4-5) est calorifugée sur toute sa longueur V (fig 3-4-5) ainsi que l'échangeur surchauffeur d'air G (fig 3-4-5) et le doseur d'air surchauffé P (fig 3-4) Eventuellement un thermostat K (fig 3-4-5) pourra être placé sur la tubulure U (fig 3-4-5) afin de stabiliser la température de l'air surchauffé, mais cela est facultatif. Pour la mise en route à froid il sera fait usage d'un starter classique qui débouche en W (fig 1-2-3-4-5) et, pour les premières reprises, la mélange carburé admis par le volet A (fig 2-4) sera enrichi, par exemple au moyen d'un volet à ressort et axe décalé freinant l'entrée d'air froid en amont du diffuseur D (fig 2-4), ces deux systèmes ont leur utilité propre leur commande pourra être manuelle ou automatique, mais ce sont là des systèmes bien connus des techniciens de la carburation. Au RALENTI ; contrairement à ce qui se passe habituellement dans les carburateurs le volet d'accélération A fig 3-5) est complètement fermé, seul le système de ralenti débite en N (fig 3) un mélange riche Air-Essence dosé par une vis pointeau. L'air additionnel surchauffé est dosé par l'orifice O (fig 3) du doseur P (fig 3), il pénètre par les orifices- Q (fig 3 dans la tubulure d'admission C (fig 3) où il s'incorpore, en turbulence, dans le mélange Air-Essence trop riche provenant du système de ralenti N (fig 3) Dans ces conditions 1/4 environ de l'air nécessaire à la combustion arrive froid par N (fig 3) en émulsion avec 1 'esses les 3/4 sont fournis, surchauffés, par l'orifice O du doseur P (fig 3). Si le 1/4 d'air aspiré à la température ambiante se trouve à 200C et les 3/4 d'air surchauffé à 2000C cela porte l'ensemble à une moyenne de 1550C. La détente provoquée par la chute de pression entre B et C (fig 3) pour 1Pair carburé qui sort en N (fig 3-) et, entre U et C (fig 3) pour l'air surchauffé qui arrive en O (fig 3) abaisse la température de l'ensemble aux environs de 1400C L'élévation de température de l'essence dont la chaleur spécifique est de 0,43 puis son évaporation qui absorbe 117 Mth K, ònt chuter le mélange carburé aux environs de 1100C. A cette température, et sous la pression absolue existant dans la tubulure C (fig 3), (moins de 200 millibars), l'évaporation de l'essence est complète, le mélange Air-Vapeur d'essence s'homogénéise très facilement, le moteur peut tourner indéfiniment au ralenti avec une production de CO pratiquement nulle et sans risque d'engorgement. La REPRISE : il s'agit d'une opération qui dure d'autant moins longtemps jupon accélère brutalement, le fait d'appuyer sur l'accélérateur ouvre simultanément le volet A (fig 4) réglant le débit d'air carburé et le doseur P (fig 4) qui détermine la quantité d'air pur surchauffé arrivant en O (fig 4) mais la section de passage libérée par chacun de ces deux organes est calculée de telle sorte que la proportion d'air surchauffé diminue par rapport à celle d'air frais carburé pour descendre par exemple à 15 ou 30 % environ à pleine accélération suivant le résultat que l'on désire obtenir, (Puissance ou faible consommation). La réduction du pourcentage d'air surchauffé abaisse la température du mélange mais le fait que la paroi interne de la tubulure d'admission se trouve pendant quelques secondes à une température supérieure au point minimal d'ébullition de l'es- sence évite une retenue de celle-ci, les premières explosicns à pleine accélération sont correctement assurées et pour la reprise cela est l'essentiel, les autres suivent d'autant plus facilement que le mélange Air-Essence est encore à une température bien supérieure à ce qu'elle serait sans l'intervention du dispositif faisant l'objet de la présente invention qui dispense ainsi d'utiliser une pompe de reprise. A PLEINE ACCELERATION, (fig 2-4) la pression absolue dans la tubulure d'admission C s'élève à plus de 900 millibars, l'ébullition de l'essence ne commence alors qu'aux environs de 500C pour se terminer à plus de 1200C. Dans les moteurs tels qu'on les alimente généralement jusqu'ici l'Air et l'Essence, sensiblement à la même température par exemple 200 C, sont aspirés et émulsionnés sans qu'il y ait vraiment vaporisation, la faible détente que le mélange subit n'abaisse guère sa température que de 2 ou 30C. En général la tubulure d'admission est réchauffée près de la sortie du carburateur, soit par contact avec le collecteur d'échappement, soit par circulation d'eau, ces deux systèmes ont un point commun c'est de ne réchauffer que la périphérie de la colonne gazeuse dont la température moyenne, compte tenu du diamètre relativement grand de la tubulure d'admission et de sa faible longueur, ne va guère augmenter que d'une vingtaine de OC. Quand le point chaud est alimenté par les gaz d'échappement les gouttelettes d'essence qui le frôleront seront partiellement transformées en vapeur mais cela ne représente qu'une bien faible partie, certainement précieuse mais nettement insuffisante. C'est donc un mélange à environ 400C qui va pénétrer dans. le cylindre et se mélanger avec le reliquat des gaz brûlés de la précédente explosion, en principe un volume égal à celui de la chambre d'explosion soit, en moyenne, 1/9 de la cylindrée, ces gaz brûlés étant à une température d'environ 400 C cela devrait donner pour l'ensemble une température moyenne d'environ 760C que la vaporisation des parties légères de l'essence abaissera à environ 720C c'est à dire bien en dessous du point d'ébullition des parties lourdes. Il ne faut pas trop compter sur l'élévation de température provoquée par la compression pour évaporer la frsction lourde de l'essence restée liquide puisque cette compression ayant pour seconde conséquence d'en remonter le point d'ébullition ce sont là deux effets qui ont tendance à s'annuler. Le résultat est que les parties lourdes de l'essence resteront liquides et mal homogénéisées avec l'air, seul des deux composants l'hydrogène brûlera libérant de l'oxyde de carbone qui partira en pure perte dans les gaz d'échappement. Avec le système d'alimentation faisant l'objet de la présente invention qui ne se substitue qu > à la pompe de reprise mais conserve le ou les dispositifs de réchauffage existant habituellement sur les moteurs, les choses se passent differennent. L'évaporation de l'essence est déjà partiellement réalisée, le mélange carburé réchauffé dans la masse et homogénéisé avant d'atteindre le point chaud de la tubulure d'adission, vcici d'ailleurs comment se déroulent les diverses opérations et, approximativement, à quelles températures Nous supposerons, conne aans le cas précédemment décrit, que le mélange carburé riche, Air-Essence, sort du carburateur à 180C, on lui adjoint alors en tubulence 1/3 en poids de l'air nécessaire à sa combustion préalablement chauffé à 2000C. L'air surchauffé dosé par l'orifice O (fig 4) va pénétrer dans la tubulure d'admission par les orifices Q (fig 4) et s'incorporer, en turbulence, dans la masse même du mélange carburé la chaleur qu'il apporte va vaporiser la partie la plus légère de l'essence (1/3 environ) et porter la température du mélange aux environs de 700C,- compte tenu de la chaleur de vaporisation de l'essence laquelle, comme nous l'avons vu au début de cet exposé, est de 117 Mth K. L'action du point chaud existant-généralement sur la tubulure d'admission des moteurs actuels se trouvera facilitée par cette élévation de température, tout en vaporisant une partie de l'essence restée liquide il va porter le mélange aux environs de 900C, à la condition cependant que la chaleur lui soit fournie par les gaz d'échappement. Nous avons vu que le reliquat des gaz brûlés restant dans le cylindre après l'échappement était susceptible de relever de 400C la température du mélange Air-Essence admis, mais l'évaporation des parties lourdes de l'essence restées liquides limiteront cet effet à environ 300C. C'est donc finalement un mélange à 1200C qui va être soumis à la compression, laquelle en élèvera d'autant plus la température qu'il restera moins d'essence à évaporer. Dans ces conditions il n'y aura plus la moindre trace essence liquide au moment de l'inflammation du mélange et la combustion sera pratiquement complète. Des essais et contrôles effectués sur un prototype à l'aide d'un appareil homologué (AnalyserGO-C02 à infra rouge) ont démontré le bien fondé de cette thes.e. Par ailleurs des essais sur route à 90 km heure réalisés avec une Citroën type ID 19 P de 1911 cm3 de cylindrée et pesant 1150 k nous ont permis de relever une consommation de 6,8 litres 100 100 km ce qui est notablement inférieur à la consommation habituelle de ce type de véhicule. Ceci confirme de façon évidente que l'amélioration de la combustion obtenue par le procédé faisant l'objet de la présente invention permet 1) d'éviter la pollution par l'oxyde de carbone, 2) de réduire la consommation des moteurs à explosion utilisant un carburant liquide. VERSION RALENTI C'est une application simplifiée du dispositif déjà décrit qui présente la particularité de n'agire guère qu'au ralenti, il est représenté par le Fig 5. Il se différencie Je la version "TOUS REGIMBES par le fait que l'air additionnel surchauffé n'est pas dosé par un organe mobile mais par un ou plusieur orifices calibrés qui peuvent être réglables et fonctionne de la façon suivante. Le volet d'accélération A (fig 5) est-totalement fermé, le mélange Air-Essence riche et froid arri-ve par l'orifice N (fig 5) dont le débit est réglé par une vis pointeau. L'air d'appoint pénètre en S (fig 5) dans l'échangeur G (fig 5) en contact direct avec les gaz du collecteur d'échappement T (fig 5), il en sort surchauffé à environ 2000C et gagne par la tubulure U (fig5) la bride doseuse I (fig 5) qui est intercalée entre le carburateur B (fig 5) et la tubulure d'admission C (fig 5) dans laquelle il arrive par les orifices calibrés Q (fig 5) dont la section de passage détermine la vitesse de rotation du moteur au ralenti, le nombre de ces orifices peut être réduit ou augmenté, leur débit réglable ou non sans que cela ne change rien au principe de la présente invention. Comme dans la version "TOUS REGIMES" la mise en route à froid a recours au starter d'origine du carburateur, il débite en W (fig 5). -' Bien réglé ce dispositif assure un ralenti très stable et une combustion complète sans production de CO, il ne dispense pas d'utiliser la pompe de reprise mais permet d'en réduire le débit. Eventuellement un thermostat K (fig 5) peut stabiliser la température de l'air additionnel surchauffé en admettant de l'air froid en SA (fig 5) mais l'essai que nous avons fait de ce procédé n'a pas nécessité l'emploi d'un tel appareil. Les différents dessins ci-annexés de même que les proportions, températures etc... indiquées pour la compréhension du fonctionnement de ce système d'alimentation ne sont pas limitatifs, le principe de ce dispositif restant couvert dans toutes les variantes de ses applications et pour tous les carburants liquides, il convient particulièrement pour l'utilisation des alcools ou du Méthanol. REVENDICATIONS 1) Dispositif anti-pollution et économiseur pour moteur à explosion fonctionnant aux carburants liquides caractérisé par le fait qu'il permet de transformer entièrement ce liquide en vapeur avant son inflammation, voire même avant la compression. 2) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que l'évaporation de tout ou partie du carburant est obtenue par un apport direct, dans la masse même du mélange Air- Carburant dosé en conséquence, d'une certaine quantité -d'air additionnel préalablement surchauffé aux environs de 2000C, voire plus suivant les cas, par récupération d'une partie de la chaleur perdue des gaz d'échappement. 3) Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que cet apport, dans lequel l'air joue à la fois le rôle de fluide caloporteur et de comburant, a lieu de préférence immédiatement après la sortie du carburateur c'est à dire juste avant l'entrée de la tubulure d'admission et qu'il provoque une turbulence. 4) Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que, dans la version "TOUS REGIMES", la quantité d'air surchauffé admis est dosée par un organe mobile dont 1 'ou- verture est synchronisée avec celle du volet réglant l'admission du mélange Air-Carburant. 5) Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que, dans la version "RALENTI", la quantité d'air surchauffé admis est dosée par un organe fixe qui peut néannoins être réglable. 6) Dispositif suivant les revendications 4 et 5 caractérisé par le fait qu'au ralenti le volet d'accélération du carburateur est totalement fermé de façon à n'admettre que de l'air additionnel surchauffé. 7) Dispositif suivant les revendications 4-5-6 caractérisé par le fait que la tubulure d'admission est chauffée intérieurement au ralenti, par une augmentation massive de la proportion d'air surchauffé (environ 75 %) ç à une température suffisante pour qu'elle ne provoque aucune rétention de carburant lorsqu'à l'accélération la pression absolue remontant subitement dans cette tubulure élève le point d'ébullition du carburant qui peut très bien passer instantanément de -20 à +5O0C. 8) Dispositif suivant les revendications 2 et 3 caractérisé par le fait que les divers appareils constituant 1' ensente de cette invention sont calorifugés partout où il ris-que dly avoir une déperdition de chaleur. 9) Dispositif réalisé suivant l'ensemble des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il comporte un système de mise hors service de tout appareil, pompe de reprise ou autre enrichissant le melange provenant de l'alimentation principale, dès que l'ensemble de l'installation a atteint sa tenpératrE normale de fonctionnement