Brevet FR2469572A1 — publié le 19810522

La présente invention concerne la réalisation des moteurs et notamment, les systèmes d'alimentation des moteurs à combustion interne. Le système peut être utilisé pour alimenter les moteurs à essence de divers véhicules de transport. La présente invention est tout particulièrement efficace dans le cas des moteurs a essence à forte cylindrée installés sur des véhicules de transport, exploités de préférence dans l'enceinte des grandes villes. On sait que les conditions les plus favorables pour le déroulement des processus d'inflammation et de combustion des moteurs a allumage par étincelle correspondent au cas où les cylindres sont remplis d'un mélange air-carburant homogène, ctest-à-dire d'un mélange dans lequel tout le carburant est à ltétat de vapeur. Dans le cas général, la concentration des vapeurs de carburant dans le volume du cylindre peut être irrégulière. La répartition de la concentration des vapeurs est optimale lorsqu'on assure un certain enrichissement du mélange au voisinage de la bougie.Cependant, pour obtenir une telle répartition de concentration, il faut utiliser des moteurs de construction spéciale, par exemple des moteurs à chambre de pré-combustion, ce qui diminue la fiabilité des moteurs à combustion interne et augmente leur prix de fabri- cation. C'est pourquoi, en ce qui concerne les moteurs à combustion interne de construction traditionnelle, les conditions d'optimisation de leur alimentation consistent A évaporer tout le carburant et à le mélanger uniformément à l'air avant le début de la combustion. La tendance > diminuer la toxicité des gaz d'échappe- ment et à augmenter l'économie des moteurs à essence amène à créer des systèmes d'alimentation assurant l'entrée dans les cylindres d'un mélange air-carburant homogène. Il est nécessaire d'alimenter les moteurs en mélange homogène compte tenu d'un certain nombre d'exigences dont les principales sont - une diminution de la toxicité des gaz d'échappement et un accraissement des indices de valeur économique, par suite d'une élévation de la limite d'appauvrissement effectif du mélange ; - l'obtention d'un processus de combustion hautement efficace grâce au fait que n1 est présente dans les cylindres que la phase de vapeur du carburant - une diminution de l'inégalité de distribution du mélange, dans les cylindres ainsi que d'un cycle de fonctionnement à l'autre; - une réduction de l'usure des pièces du moteur du fait que l'huile est balayée des parois des cylindres par le carburant non évaporé. On résout le problème dthomogénéisation du mélange air-carburant, avec un succès plus ou moins grand, avec tous les systèmes d'alimentation actuellement utilisés, mais jamais entièrement jusqu'ici. On connaît de nombreuses tentatives faites en vue d'améliorer les caractéristiques des moteurs à essence en intensifiant le processus d'évaporation du carburant A ces méthodes appartiennent diverses formes de réchauffage de la conduite d'admission, à l'aide des gaz d'échappement et du liquide provenant du système de refroidissement, qui sont utilisées dans les systèmes d'alimentation à carburateur. Dans ces cas, on réchauffe le dépôt de carburant, présent sous forme de pellicule sur les parois de la conduite d'admission, et, de ce fait, on augmente l'évaporation. Cependant, ces systèmes n'assurent pas une évaporation complète du carburant pour deux raisons - il se forme des gouttelettes secondaires qui sont enlevées de la surface de la pellicule par le courant d'air, - des gouttes relativement grandes, non évaporées dans le courant du mélange lors de leur déplacement dans la conduite d'admission, ne se transforment pas en pellicule. Le désir d'élever l'efficacité de l'évaporation du carburant a fait apparattre des systèmes de réchauffage de la conduite d'admission jusqu'à des températures élevées. En particulier, on connaît un système d'alimentation pour moteur a combustion interne (voir la revue ''Automobile Engineering'1, 1967, 57, N03, 96 à 99) qui comprend deux conduites d'admis sinon parallèles, une principale, de grand diamètre, et une supplémentaire, de petite section de passage, assurant une circulation du mélange air-carburant à grande vitesse et donc un meilleur brassage De plus, un dispositif est monté dans la conduite supplémentaire pour intensifier le réchauffage du mélange et évaporer la phase liquide du carburant.Deux papilions d'étranglement correspondants sont prévus et reliés entre eux par un système de levier de façon que l'ouverture du papillon placé dans la conduite de petit diamètre devance l'ouverture du papillon principal, placé dans la conduite principale. Au stade initial de l'accélération, lors de la mise en marche du moteur ou de l'augmentation de la vitesse, le mélange air-carburant ne traverse que la conduite d'admission de petit diamètre, dans laquelle il est soumis a un réchauffage intense par la chaleur des gaz d'échappement. En pleine charge, le mélange air-carburant passe å travers la conduite principale sous réchauffage Le réchauffage intense du mélange air-carburant dans la conduite d'admission provoque une décoinposition thermique du carburant et la carbonisation de celui-ci sur les surfa- ces du dispositif de chauffage qui sont chauffées jusqu'à des températures exéssivement élevées.De plus, le réchauffage du mélange air-carburant jusqu'a' des températures éle- vées provoque parfois l'inflammation spontanée du mélange dans la conduite d'admission. La nécessité de concevoir des systèmes d'alimentation a évaporation du carburant qui suppriment les inconvénients cités, a amené à l'utilisation d'éléments évaporateurs chauffés jusqu'à une température plus basse, égale à la température d'ébullition des fractions les plus lourdes de l'essence. En particulier, un tel système est décrit dans la revue "Motor" (Great Britain), 1973, 143; N 3688, 26 à 27. Ce sys tème comprend un élément évaporateur, sous la forme d'un tuyau vertical dont la partie supérieure est placée a' l'inté- rieur de la conduite d'admission. Le tuyau de l'évaporateur renferme un tube partiellement rempli d'un liquide volatil qui bout à l'extrémité inférieure du tube chauffé par les gaz d'échappement chauds. La vapeur qui est formée monte à -- la partie supérieure du tube où elle se condense en cédant la chaleur latente de vaporisation.Le liquide condensé 5'é- coule vers le fond sur les parois du tube et le cycle de fonctionnement se répète. Ainsi- > -ltelément évaporateur se trouve sous une température constante, égale à la température d'ébullition du liquide volatil. C utilise dans ce système un liquide dont la température d'ébullition est de ltor- dre de 200 OC, Une telle température exclut toute possibilité de décomposition thermique du carburant. Cependant, on n'atteint pas dans ce système l'évaporation complète du carburant. Cela peut être expliqué par le fait qutune~gouttelette de carburant, au moment de son accès à l'élément évaporateur, comprend une quantité relativement grande de fractions légères qui, lorsque la gouttelette tombe sur une surface fortement chauffée, s'évaporent d'une fa çon intense. De ce fait, il se forme sous la gouttelette, un matelas de vapeur qui ne lui permet pas de se répandre sur la superficie de l'élément évaporateur. Non seulement cela empêche un contact thermique nécessaire entre le carbu rantliquide et la surface de l'élément évaporateur, mais cela crée en. outre des-conditions favorables pour ltentraî- nement des gouttelettes par le courant d'air. De plus, -il faut remarquer qu'fun tel système, de même que celui décrit précédemment, est d'une construction assez complexe. Un autre type de système d'alimentation de moteur à combustion interne, décrit dans le brevet américain N 3461850, est d'une construction assez simple. Ce système comprend une conduite d'admission, munie d'un papillon d'étranglement et d'un-élément d'évaporation par contact de sur face ayant une portion d'apport de chaleur, et un dispositif dtinjection du carburant relié à un bloc de dosage. L'élément d'Qvaporation par contact de surface est une plaque dont l'un des côtés est adjacent à la paroi de la conduite d'admission, conjuguée en cet endroit avec la paroi de la conduite d'échappement. C'est ce côté de la plaque qui constitue la portion d'apport de chaleur.En face de l'autre cô- té de la plaque, dans la paroi de la conduite d'admission, est installé un injecteur qui constitue le dispositif d'in- jection du carburant. Lors du fonctionnement du moteur, la chaleur des gaz d'échappement est transmise a la plaque, de sorte que celle-ci est chauffée jusqu'à une température élevée. Le carburant pulvérisé par l'injecteur tombe sur la surface de la plaque et s'évapore. Les vapeurs du carburant se mélangent avec 1' air et pénètrent dans les cylindres du moteur. Cependant, ce système n'assure pas une évaporation complète du carburant. Cela peut être expliqué par le fait que les gouttelettes de carburant, tombant sur la surface fortement chauffée de la plaque, commencent & à évaporer in- tensivement, de sorte qu t il se forme sous les gouttelettes un matelas de vapeur. Ce matelas de vapeur ne permet pas aux gouttelettes de se répandre sur la surface de la plaque et, en même temps, trouble le contact thermique nécessaire entre les gouttelettes de carburant et la surface de la plaque. Les gouttelettes de carburant, qui n'ont pas réussi à s'éva porern sont captées par le courant d'air et entratnées dans les cylindres du moteur. De plus, la température élevée de la plaque contribue à la décomposition thermique du carbu rant et & à la formation du résidu de carbone sur sa surface. Il s'ensuit qu'à l'heure actuelle, ilnxiste pas de système d'alimentation pour moteurs à combustion interne qui assure une homogénéisation complète du mélange air-carburant introduit dans les cylindres du moteur. La présente invention a pour but de réaliser un système d'alimentation pour moteur à combustion interne, dans lequel le dispositif d'injection de carburant soit réalisé, et la portion d'apport de chaleur à un élément d'évaporation par contact de surface soit disposée, de façon à assurer une homogénéisation complète du mélange air-carburant introduit dans les cylindres du moteur, pour tous les régimes de son fonctionnement, et à éliminer la carbonisation du carburant sur la surface de l'élément d,évaporation, de sorte qu'on puisse obtenir une diminution sensible de la toxicité des gar d'échappement, un prolongement de la durée de service du système d'alimentation, une amélioration de 11 économie de carburant et une augmentation de la durée de fonctionnement du moteur. Le problème posé est résolu par le fait,que dans un système d'alimentation de moteur à combustion interne, comprenant une conduite d'admission munie d'un papillon d'étranglement et d'un élément à surface d'évaporation ayant une portion d'apport de chaleur, et un dispositif d'injection du carburant, relié à un bloc de dosage, selon l'invention, le dispositif d'injection du carburant comprend un dispositif d'amenée du carburant, sous la forme d'un film fluide, sur l'élément d'évaporation, près de l'une des extrémités de ce dernier, la portion d'apport de chaleur de cet élément d'évaporation étant disposée sur son extrémité opposée. Grâce à une telle solution, le carburant arrive sous la forme d'une pellicule ou d'un film sur une extrémité de l'élément à surface d'évaporation, tandis que le chauffage de cet élément d'évaporation est effectué à son extrémité opposée. Ainsi, on élimine complètement l'accès des gouttelettes de carburant non évaporées dans le courant d'air parcourant la conduite d'admission dans les cylindres du moteur en outre, un champ thermique à élévation continue de la température se forme le long de la surface d'évaporation, à partir du point d'amenée du carburant jusqu'à l'extrémité chauffée.Le long du trajet du film de carburant, la valeur de la température varie dans la gamme des températures d'é bullition des fractions du carburant et, de ce faits tout risque de surchauffage du carburant jusqu'aux températures de carbonisation est éliminé. Dans ce processus, l'évapora- tion du carburant s'effectue à à une grande vitesse, détenni- née par des coefficients de transmission de chaleur beaucoup plus élevés que d'habitude.Cela est assuré par l'évapora- tion de chaque fraction du carburant, , à une température proche de sa température d'ébullition, ce régime étant maintenu automatiquement en cas de changement du régime de fonctionne- ment du moteur, s'accompagnant d'une variation correspondant te de la quantité de carburant introduit et des paramètres des gaz d'échappement. Il est avantageux que le dispositif d'amenée du carburant, sous la forme d'un film, sur la surface d'évapora- tion, soit constitué par une cavité annulaire, encerclant la conduite d'admission et reliée au volume intérieur de celle- ci au moyen d'une fente circulaire ménagée dans la paroi de cette conduite d'admission. Une telle solution assure une application uniforme du film de carburant sur la surface de l'élément d'évapora tion, et ceci avec un dispositif de construction extrAmement simple. En variante le dispositif d'amenée du carburants sous la forme d'un film, sur l'élément à surface d'évaporation est avantageusement constitué par une roue à palettes montée dans la conduite d'admission et pourvue de canaux de amenée du carburant dans les palettes et dans son axe Une telle solution assure une grande uniformité dlap- plication du film de carburant sur la surface de l'élément dvévaporation, ce qui permet de diminuer sa longueur. Il est avantageux que l'extrémité de l'élément dreva- poration, sur laquelle est disposée la portion d'apport de chaleur, soit munie de nervures pour accroStre sa superficie réceptrice de la chaleur. Une telle solution permet d'intensifier le processus d'apport de chaleur à l'élément à surface d'évaporation, grâce à quoi une réduction de la longueur de la portion d'apport de chaleur est possible. I1 est aussi raisonnable que le papillon d'étranglement soit placé immédiatement derrière ltextrémité de l'élé- ment d'évaporation, sur laquelle est disposée la portion d'apport de chaleur. Grâce à une telle disposition, le papillon d'étranglement fait tourbillonner le courant du mélange air-carburant, de sorte que ce mélange a une composition qualitative homogène sur toute la section de la conduite d'admission. Ci-après, la présente invention est décrite en détail à l'aide d'exemples de réalisation et en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 représente schématiquement le système d'alimentation pour moteur à combustion interne selon l1in- vention, et la conduite d'admission en coupe longitudinale. - la Fig. 2 représente une autre variante de réalisation du système d'alimentation pour moteurs à combustion interne selon l'invention, en coupe longitudinale le long de la conduite d'admission ; et - la Fig. 3 représente, à échelle agrandie, une variante de réalisation de l'élément d'évaporation par contact de surface. Le système d'alimentation pour moteur à combustion interne comporte une conduite d'admission 1 (Fig.l) munie d'un papillon d'étranglement 2 et d'un élément à surface d'é- vaporation 3, ainsi qu'un dispositif 4 d'injection de carburant. Le dispositif 4 d'injection de carburant est disposé près de ltextrémité 5 de l'élément d'évaporation 3 et comprend des doseurs électromagnétiques 6, ainsi qu'un dispositif 7 d'amenée du carburant, sous la forme d'un film mince 8, sur l'élément d'évaporation3. Les doseurs électromagnétiques 6 sont reliés par une conduite 9 à une pompe à carburant 10 et à un réservoir à carburant 11. Les doseurs électromagnétiques 6 sont commandés par un bloc électronique de dosage 12, de construction connue, à l'entrée duquel sont connectés des éléments 13 sensibles au régime de fonctionnement du moteur.Le dispositif 7 d'amenée du carburant sous la forme d'un film 8 comporte une cavité annulaire 14 encerclant la conduite d'admission 1 et reliée à l'extrémité 5 de l'élément d'évaporation 3 au moyen d'une fente circulaire 15 ménagée dans la paroi de la conduite d'admission 1. Une portion 16 d'apport de chaleur est prévue à l'extrémité 17 de l'élément d'évaporation 3, opposée à l'extrémité 5. La chaleur est empruntée aux gaz d'échappement passant dans la conduite d'échappement (non représentée). Le papillon d'étranglement 2 est monté immédiatement derrière l'extrémité 17 de l'élément à surface d'évaporation 3. Cependant, ce papillon d'étranglement 2 peut être tout aussi bien monté avant le dispositif 4 d'injection de carburant, comme le montre le pointillé. La figure 2 représente une autre variante de réalisation du dispositif 7 d'amenée du carburant sous la forme d'un film sur l'élément d'évaporation 3. Ce dispositif 7 est réalisé sous la forme d'une roue à palettes 18 constituée de palettes 19 fixées sur un axe 20. L'axe 20 de la roue à palettes 18 est monté par l'intermédiaire de paliers 21 dans un moyeu 22 d'une barrette 23. La barrette 23 est montée dans la conduite d'admission 1 de façon que les palettes 19 de la roue à palettes 18 se trouvent an niveau de l'extrémité 5 de ltélement à surface d'évaporation 3. Dans les palettes 19 sont ménagés des canaux débouchants 24 reliés, à travers un canal 25 de l'axe 20 et de canaux 26 percés dans la la barrette 23, aux doseurs électromagnétiques 6. La portion d'apport de chaleur 16, disposée sur l'ex- trémité 17 de l'élément l'élément d'évaporation 3, peut soit avoir une surface lisse, comme le montrent les figures 1 et 2, soit être munie de nervures ou ailettes 27 (fig.3) qui augmentent la superficie de la surface réceptrice de la chaleur de cette portion 16. Dans ce dernier cas, on intensifie le processus d'apport de chaleur à l'élément d'évaporation 3 grâce à quoi on obtient une diminution de la longueur de la portion 16 d'apport de chaleur. Pour obtenir une efficacité maximale du système d'alimentation proposé l'élément d'évaporation 3 doit être fabriqué en un matériau à conductibilité calorifique élevée, en cuivre par exemple. Le système d'alimentation pour moteur à combustion interne décrit fonctionne de la façon suivante. Au cours du fonctionnement du moteur, le carburant est amené sous surpression, au doyen de la pompe à carburant 10 (Fig.l), depuis le réservoir a carburant 11, par la conduite 9, vers les doseurs électromagnétiques 6. Les sorties des doseurs électromagnétiques 6 communiquent avec la cavité annulaire 14 qui est reliée, à travers la fente circulaire 15 ménagée dans la paroi de la conduite d'admission 1, à 1' extrémité 5 de l'élément à surface d'évaporation 3. En même temps, du fait que le papillon d'étranglement est ouvert, l'air pénètre-dans la conduite d'admission 1. Le dosage de l'injection du carburant s' effectue en faisant varier la durée des impulsions de commande provenant du bloc électronique de dosage 12 et formées en fonction des signaux délivrés par les éléments 13 sensibles, au régime de fonctionnement du moteur.Le carburant, introduit en quantité dosée dans la cavité annulaire 14, arrive à travers la fente circulaire 15 sur l'extrémité 5 de l'élément à surface d'évaporation 3 et est étalé sous la forme du film mince 8 sur sa surface, sous l'action du courant d'air et des forces de tension superficielle. Etant donné que l'apport de chaleur à l'élément d'évaporation 3 s'effectue sur la portion 16 située à l'extrémité 17, qui est éloignée de l'emplacement du dispositif 7 d'amenée du film de carburant, la chaleur se propage sur l'é- lément d'évaporation par contact superficiel 3 à partir de la portion 16 d'apport de chaleur et à la rencontre du mouvement du film 8 de carburant. I1 se forme alors dans l'élément d'évaporation 3, un champ croissant de températures et, de ce fait, le film 8 en mouvement se réchauffe et s'évapore selon une courbe de distillation fractionnaire du carburant. Pour une température donnée de la portion 16 d'apport de chaleur de l'élément d'évaporation 3, chaque fraction du carburant, se déplaçant sous la forme du film 8, atteint, en se réchauf fant progressivement, la zone où les conditions de son évaX poration sont les plus favorables, ctest-à-dires la zone ou la température de la surface de l'élément d'évaporation 3 est proche de la température d'ebullition de la fraction en question.Le champ thermique à large gamme de températures, formé dans l'élément d'évaporation 3, et l'accroissement brutal du coefficient d'échange calorifique, dû à ltamincisse- ment du film 8 du carburant, lors de l'étalement et de l'é- vaporation de celui-ci, assurent 1 1établissement automatique d'une zone d'évaporation pour chaque fraction du carburant en un endroit où les conditions d'échange calorifique sont optimales, grtce à quoi on n'est pas obligé à régler la teni- pérature de l'élément d'évaporation 3 pour tous les régimes de fonctionnement du moteur Les vapeurs du carburant eva- poré se mélangent mélangent avec l'ais et forment un mélange air-carburant homogène de composition réglable Le fait de placer le papillon d'étranglement 2 dans la conduite d'admlssion 1 immédiatement derrière l'extrémité 17 de l'élément d'évaporé ration 3 fait tourbillonner le courant du mélange air-carburant, gracie à quoi ce dernier a une composition quantitative homogène dans la section de la conduite d'admission 1. Le fonctionnement du système d'alimentation de moteur à combustion interne, selon la variante représentée sur la figure 2 est le suivant Au cours du fonctionnement du moteur, le papillon d'étranglement 2 est ouvert , et le courant d'air pénètre dans les cylindres du moteur par l'intermédiaire de la conduite d1admission 1. En cours de son déplacement, le courant d'air entoure les palettes 19 de la roue à palettes 18, ce qui pro voque la rotation de celles-ci. Plus grande est le débit d'air, c'est-à-dire plus le papillon dFétranglement 2 est ouvert, plus est élevée la vitesse de rotation de la roue à palettes 18, et inversement.Simultanément avec l'arrivée d'air dans les cylindres du moteur, s'effectue l'alimentation du- carburant dosé par les doseurs électromagnétiques 6. Le carburant est envoyé à travers les canaux 26 de la barrette 23 et le canal 25 de l'axe 20 de la roue à palettes 18, dans les canaux 24 des palettes 19 de cette dernière. Des canaux 24, le carburant s'écoule sur 1extrémité 5 de l'élément d'évaporation 3 et se répand sur la surface de ce dernier sous la forme du film mince 8. La roue à palettes 18 assure une uniformité élevée de la répartition du film de carburant sur l'élément d'évaporation 3, ce qui permet de raccourcir cet élément 3. L'évaporation du film 8 de carburant s' effectue de la même façon que dans la variante du système décrite ci-dessus. De ces exemples particuliers de réalisation de la présente invention, il ressort en toute évidence pour l'homme de l'art qu'il est possible d'atteindre tous ks buts de l'invention. I1 est cependant aussi évident que des modifications peuvent être apportées à la construction du système d'alimentation de moteur à combustion interne, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. La présente invention évite la décomposition thermique du carburant au cours de son évaporation et élimine le risque de pénétration dans les cylindres du moteur, de carburant non évaporé, encore en phase liquide. Le système assure une évaporation complète du carburant liquide et un bon brasage de ses vapeurs avec l'air pour tous les régimes de fonctionnement du moteur sans réglage spécial de la température de l'élément d'évaporation. Pour tous les régimes de fonctionnement du moteur, le système assure l'homogénéité du mélange air-carburant introduit dans les cylindres du moteur. On obtient donc - une efficacité élevée du processus de combustion, grâce au fait qu'il ne pénètre dans les cylindres que la phase vapeur du carburant - une diminution considérable de la toxicité des gaz d'échappement dans tous ses composants toxiques, et un accroissement des indices de valeur économique du moteur - une réduction des inégalités de distribution du mélange air-carburant dans les cylindres, ainsi que d'un cycle de fonctionnement à l'autre - une réduction de l'usure des pièces du moteur due à l'enlèvement de l'huile des parois des cylindres par le carburant évaporé. REVENDICATIONS 1 - Système d'alimentation pour moteur à combustion interne comportant une conduite d'admission, munie d'un papillon d'étranglement et d'un élément à surface d'évaporation, ayant une portion d' apport de chaleur, et un dispositif d1 in- rection du carburant relié à un bloc de dosage, caractérisé en ce que le dispositif d'injection du carburant comprend un dispositif d' amenée du carburant, sous la forme d'un film mince, sur l'élément d'évaporation, près de l'une des extrémités de ce dernier, la portion d'apport de chaleur de ltélé- ment d'évaporation étant disposée à l'extrémité opposée de cet élément. 2 - Système d'alimentation pour moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée du carburant sur l'élément évaporateur sous la forme dtun film mince comporte une cavité annulaire, encerclant la conduite d'admission et reliée au volume intérieur de celle-ci,au moyen d'une fente circulaire ménagée dans la paroi de cette conduite d'admission. 3 - Système d'alimentation ponr moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée du carburant sur la surface d'évaporation sous la forme d'un film,comporte une roue à palettes installée dans la conduite d'admission et pourvue de canaux d'amenée du carburant dans son axe et dans les palettes. 4 - Système d'alimentation pour moteur à combustion interne selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extrémité de l'élément d'évaporation sur laquelle est disposée la portion d'apport de chaleur, est munie de nervures d'accroissement de la surface réceptrice de la chaleur. 5 - Système d'alimentation pour moteur à combustion interne, selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le papillon d'étranglement est monté immédiatement derrière l'extrémité de l'élément d'évaporation, qui porte la portion d'apport de chaleur.