Brevet FR2517741A1 — publié le 19830610

La présente invention concerne les moteurs à auto-allumage à injection directe de combustible (gas oil, en particulier). Dans les moteurs à auto-allumage actuels, le rapport volumétrique ou taux de compression est très élevé - généralement de 18 à 23 - de façon à obtenir, grâce à l'élévation de température résultant de la compression quasi adiabatique, un auto-allumage du combustible injecté, et également un taux de détente (le même que le taux de compression) élevé pour accroitre le rendement du moteur. Si le rendement de ces moteurs est généralement un peu plus élevé que celui des moteurs à essence modernes, par contre, ils sont sensiblement plus lourds à puissance équivalente. Cette puissance spécifique médiocre est due, justement, au rapport de compression très élevé, qui entraîne des contraintes mécaniques élevées, et, surtout, des contraintes thermiques bien supérieures à celles rencontrées dans les moteurs à essence. Non seulement les pièces les plus sollicitées de ce type de moteur seront plus lourdes et le moteur tournera moins vite qu'un moteur à essence, mais, en plus, l'énergie totale absorbée pour aboutir à la forte élévation de température et de pression représente une perte de puissance que l'on ne peut ignorer. Le moteur à auto-allumage et injection directe selon l'invention travaille avec un rapport volumétrique sensiblement plus faible que tous les moteurs à injection de gas oil et auto-allumage actuels. La faculté d'auto-allumage de ce nouveau moteur est conservée en ayant recours à plusieurs dispositifs indépendants, mais dont l'utilisation simultanée renforce les avantages propres à chacun d'eux et permet d'aboutir à un résultat supérieur à la somme de leurs avantages pris séparément. Le principal dispositif consiste en l'aménagement dans la culasse et sur le dessus du piston, respectivement - d'un cylindre auxiliaire coaxial avec le cylindre principal, dont la surface de la section serait inférieure à la moitié, environ, de celle ducylindre principal, - d'un piston auxiliaire, d'un diamètre tel qu'il pourra venir coulisser dans le cylindre auxiliaire, en fin de course du piston principal, avec le maximum d'étanchéité -possible, et ce, sans dispositif d'étanchéité spécial. Ce dispositif de piston et cylindre auxiliaire est destiné à assurer, pour une fraction seulement de la masse d'air admise dans le cylindre principal, une surcompression, à la fin de la phase de compression, et permettre ainsi le démarrage de la combustion du gas oil injecté. i'augmentation violente de pression et de température sera suffisante pour que la combustion de la totalité du gas oil injecté puisse se poursuivre dans les conditions les plus favorables dans la chambre principale dès réouverture entre les deux chambres. Cette combustion sera particulièrement améliorée par la forme et la violence des remous créés par la réouverture de la communication entre les deux chambres. La valeur du rapport de la masse d'air surcomprimé à la masse d'air admis n'est pas critique, il devra cependant être suffisant pour que l'importance relative des fuites inévitables (pendant la surcompression) dans le cylindre auxiliaire (et dues à la difficulté de munir le piston auxiliaire de dispositifs d'étanchéification spéciaux) soit négligeable, mais pas trop proche de "un", de façon à ce qu'une fraction importante du moteur travaille à faible pression. lin rapport de 1/6 à 1/10 est un compromis raisonnable, qui ne pourra être précisé que par l'expérience. Des explications précédentes, on déduit que la combustion de la masse d'air principale ne peut commencer qu'à la réouverture de la communication entre les deux chambres ; si, dans un exemple particulier, cette réouverture se produit environ 3,3 mm après le Point Mort Haut (P.M.H) pour une course de piston de 100 mm, la fin de la combustion et la détente finale pourront donc s'effectuer sur les 96,7 de la course restante. De même, la compression a lieu avec une chambre unique sur les 96,7 Ó environ de la course montante du piston, et la phase finale de compression séparée pour les deux chambres se poursuit pendant un temps très bref (3,3 S environ de la course), ce qui contribue à limiter le taux de fuite. Pour calculer la durée de la surcompression, il faut, dans un premier temps, établir une correspondance entre les 3,3 mm de course finale (valeur propre à une réalisation particulière donnée à titre de support pour un exemple de calcul de caractéristiques principales). L'expression qui donne la distance d'une position du piston quelconque par rapport au P.M.H. est la suivante : L + R [R cos oc + L cos (arc sin R SLn C )] = Distance / P.M.H. avec L : Longueur de la bielle : 210 mm. R : Rayon de la manivelle du vilebrequin = 50 mm. Oc: Angle formé par une position quelconque de la manivelle avec celle qu'elle a au P.M.H. Avec cette formule, on peut vérifier que, lorsque le piston est à 3,3 mm du P.M.H, la manivelle du vilebrequin forme un angle de 18 84 avec la verticale. Pour un moteur tournant à 5000 tr./mn, la durée de la surcompression serait, dans ces conditions 6G x > c = 0,628 milli-sec, 5000 3600 avec une avance à l'injection de 4084, la durée de compression jusqu'à l'injection ne serait plus que 60 x 140 = 0,4667 milli-sec. 5000 3600 Les dispositifs annexes utilisés simultanément avec le dispositif principal qui vient d'être décrit, et qui permettront à la fois d'autoriser un taux de compression équivalent de seulement 12 environ, et des démarrages du moteur dans un temps minimum, peuvent se diviser en deux catégories 10) - Dispositifs annexes permettant un démarrage immédiat du moteur et la production d'une fraction importante de la puissance de croisière du moteur après un très court délai. Pour ce faire, le moteur sera muni d'un carburateur simplifié à gaz de pétrole liquéfié, mélange de butane et de propane. En effet, le très faible rapport volumétrique de ce moteur à auto-allumage permet l'utilisation temporaire d'un mélange d'air et de carburant à très fort pouvoir anti-détonant. Non seulement ce type de démarrage permettra une utilisation immédiate du véhicule (comme s'il était muni d'un moteur à essence), mais le réchauffage de la culasse sera ainsi rapide et efficace, et autorisera un passage quasi instantané au mode de fonctionnement à auto-allumage. Ce dispositif annexe nécessitera donc le montage d'un système d'allumage électrique classique, à moins que l'expérience ne prouve que la surcompression dans la chambre auxiliaire rend possible également un auto-allumage du mélange d'air et de G.P.L. Le gaz nécessaire aux démarrages (ou en secours), sera contenu dans une bouteille d'acier d'une dizaine de litres environ, logée dans le compartiment moteur et facilement échangeable. 20) - Dispositifs annexes facilitant les démarrages par temps froid, et raccourcissant la période de mise en chauffe du moteur, de façon à obtenir un fonctionnement stable très rapidement, même par temps très froid. Ces dispositifs consistent en une combinaison d'échangeur thermique, de chaudière miniaturisée et entièrement automatisée, programmable, avec source d'énergie soit chimique (catalyse, etc...) soit une source d'énergie électrique extérieure. La culasse, ainsi que toute la chaîne carburant seront chauffées entre 500 et 1300C, et contenues dans une enceinte étanche, à l'isolation particulièrement soignée et de forme la plus compacte possible, de façon à les maintenir à une température élevée le plus longtemps possible après arrêt du moteur. (La chaîne carburant comprend la pompe à injection, les tuyauteries en amont et en aval de celle-ci, et, éventuellement, des échangeurs de température avec les gaz d'échappement et le fluide de refroidissement, ainsi qu'une nourrice, réservoir auxiliaire contenant du gas oil). Les circuits de refroidissement et/ou rechauffage contenant de l'eau ou de l'huile pourront éventuellement être pressurisés. Le réservoir principal de gas oil lui-même sera bien isolé thermiquement et possèdera un moyen de chauffage, électrique de préférence, et programmable. Le gas oil lui-même pourra, dans certaines variantes, être utilisé comme flui de caloporteur, pour la régulation thermique , une partie du circuit d'alimentation en gas oil en amont delta pompe à injection pourra être pressurisé pour pouvoir fonctionner à température élevée si nécessaire. Le moteur selon l'invention peut être développé et mis au point avec une partie seulement des dispositifs décrits précédemment, mais le résultat le plus efficace sera obtenu avec leur utilisation simultanée. Le fait de la disposition axiale et sur une surface relativement impor tante de la chambre auxiliaire rendra difficile la réalisation d'un moteur à soupapes, mais cette difficulté disparaît dans le cas d'un moteur à quatre temps à distribution par fourreaux coulissants (dit "moteur sans soupapes") ou bien dans le cas d'un moteur 2 temps. Selon la description précédente, le paragraphe suivant est un exemple de démarche de calcul que l'on pourrait utiliser dans une réalisation particu lière de ce type de moteur. Le problème de base à résoudre est la détermina tion du taux de compression (rapport volumétrique) final pour chacune des 2 chambres : il est facilement résolu en utilisant la remarque, qu'un rapport volumétrique quelconque peut être décomposé en un produit de 2 rapports volu métriques intermédiaires. Ainsi, pour un cylindre de volume V et une chambre de combustion de vo lume v, si l'on stoppe la compression à 1 pour une course L avant le P.M.H, nous avons pour cette première étape un rapport volumétrique de Le rapport volumétrique intermédiaire correspondant à la 2ème étape sera donc En faisant le produit de ces deux rapports volumétriques intermédiaires, on retrouve bien l'expression correspondant à une compression en une seule étape, c.à.d V + v v Ainsi, il faut d'abord calculer le rapport volumétrique de la chambre unique, au moment précis où celle-ci va se scinder en deux chambres indépendantes.Pour cela, il faut d'abord décider d'un rapport volumétrique moyen équivalent (c.à.d. si l'on supposait une communication permanente entre les deux chambres jusqu'au P.M.H). Prenons ce rapport volumétrique moyen égal à 12 (légèrement supérieur au taux utilisé dans les moteurs à essence modernes). Si l'on se définit H comme étant la hauteur de l'espace rempli d'air comprimé au-dessus du piston (si le dessus de celui-ci et le fond de la culasse étaient rigoureusement plans), pour un taux de compression moyen de 12 et une course de 100 mm, on obtient H + 100 - 12 H = 100 = 9,091 mm. H 11 Précédemment dans le texte, il a déjà été choisi une course de surcompression (résultat d'un compromis) de 3,3 mm, qui correspond, on l'a vu, à une rotation de 18084 de la manivelle par rapport au P.M.H. 3,3 mm avant le P.M.H, le taux de compression intermédiaire ne serait donc que de : 96,7 + 3,3 + 9091 - 109,091 = 8,804 3,3 + 9,091 = 12,391 Pour le rapport volumétrique final propre à la chambre auxiliaire, en tenant compte du fait que l'auto-allumage sera favorisé par d'autres dispositions, une valeur relativement modérée sera choisie : 18. Le taux de compression supplémentaire devra être, d'après la remarque faite précédemment : 18 = 2,045 8,804 A ce rapport volumétrique correspond une hauteur de fin de compression de la chambre auxiliaire (au P.M.H) entre piston et fond de la chambre, de s (&alpha; + 3,3 mm) = 2,044 x = 3,3 = 3,161 mm. s x 1,044 La hauteur du piston auxiliaire tel qu'il est représenté en Annexe Fig.1 peut être déterminée en supposant la compression se faisant jusqu'au P.M.H. avec une communication complète entre les deux chambres. Avec h, hauteur totale du piston auxiliaire = # mm + 3,3 mm et avec un rapport du : diamètre du piston auxiliaire / diamètre du piston principal de 57 mm donc un rapport des surfaces respectives de (57)2 - 4 90 , done mn (90)2 - ' Ol 0,4 le volume total des chambres auxiliaire et principale au P.M.H. s'établit ainsi : v = 0,6 # x S + 0,4xS donc 0,6 + 0,4 x, est une hauteur que l'on peut égaler à la hauteur déjà trouvée d'une chambre de travail cylindrique au P.M.H. pour un taux de 12 et une course de piston de 100 mm, donc 0,6 b + 0,4x = 9,091 mm. I1 a été trouvé précédemment que x valait 3,161 mm pour obtenir la surcompression de 2,044 sur le tronçon de course final du piston de 3,3 mm, d'où la valeur de 9,091 - 0,4 x 3,161 = 13,044 mm 0,6 et h = 1 + 3-,3 mm = 16,344 mm. Le rapport volumétrique correspondant à la surcompression dans la chambre principale vaut donc # = 3,33 13,044 + 3,33 - 1,253 # et le rapport volumétrique total depuis le P.M.B. (pour la chambre principale) 8,804 x 1,253 = 11,032. Il est donc possible, enfin, de déterminer le rapport du volume (ou de la masse) d'air,comprimé par la chambre auxiliaire au volume (ou à la masse) d'air admis : 0,4 x S x (3,3 + 3,161) = 0,208570074 soit 10428537 I (9,091 + 3,3) x S 5 5 La disposition de la chambre et du piston auxiliaire,tels qu'ils viennent d'être discutés, est théorique et permet de faire des calculs aisés. Dans la pratique, le piston auxiliaire devra être le moins haut possible, de façon à diminuer la masse supplémentaire du piston et nous donnerons à la culasse et au piston la forme représentée par la Fig.4 jointe en annexe.On voit sur cette coupe que la chambre auxiliaire est creusée dans un "piédestal", le fond de la chambre ayant été descendu vers le piston d'une hauteur "#" " de 13,044 mm si l'on reprend les cotes de l'exemple de calcul précédent. La hauteur du piston étant réduite de cette même valeur "3 ", les divers rapports volumétriques vus précédemment ont cependant varié à cause des parois qui ont été rajoutées pour reconstituer le cylindre auxiliaire qui, précédemment, était creusé dans le fond plat de la culasse. Pour conserver le volume de la chambre principale, et donc retrouver les rapports volumétriques tels que calculés ci-dessus sur le schéma théorique, il faut accroître la hauteur de celle-ci de la valeur suivante (5,7 + 0,4) x # - 5,7 x # = Volume d'une paroi de 0,2 mm d'épais- 4 seur et entourant la chambre auxiliaire, ainsi que le "piédestal", d'où son volume avec # = 13,044 mm 13,044 x # x 6,1 - 5,7 = 4,8355 cm 4 Ce volume, qui se retranche de celui de la chambre principale, doit être compensé en accroissant la hauteur de celle-ci. Sa section est un anneau dont le diamètre intérieur est 6,1 cm et le diamètre extérieur 9 cm, d'où l'accroissement de hauteur nécessaire 4,835 x 4 = 0,1406 cm soit 1,40G mm. (92 2 - 6,1 cm soit x t La figure 1 en annexe est une coupe théorique illustrant le principe décrit ci-dessus du 1er dispositif de la présente invention ; la disposition des deux chambres cylindriques coaxiales de la Fig.1 présente l'avantage de faciliter les calculs de toutes les dimensions géométriques nécessaires pour aboutir aux divers taux de compression finaux souhaités. Ces dimensions déterminées, il est aisé de poursuivre les calculs pour obtenir l'ensemble des dimensions géométriques des Fig.3 & 4, dont les divers taux de compression finaux sont les mêmes que pour les Fig.1 & 2. Les dispositifs annexes de démarrage au gaz propane, butane, ainsi que l'enceinte étanche et à l'isolation thermique très poussée, qui contient la culasse, la plus grande partie du moteur et de la chaîne carburant,ne sont pas représentés sur les figures, car ils nuiraient beaucoup à la clarté des schémas propres au dispositif principal, alors qu'ils ne sont pas indispensables à leur compréhension, et que leurs configurations, sur des réalisations opérationnelles, dépendront de nombreux facteurs extérieurs, et devront donc faire l'objet de nombreuses variantes. Les quatre figures en annexe sont représentées grandeur nature et l'ensemble des dimensions géométriques sont celles déterminées dans l'exemple de calcul ci-dessus, en particulier la course du piston, qui n'apparaît pas sur les figures est de 100 mm. Pour l'ensemble des figures, sont représentées, des culasses de moteur 2 temps. Dans la Fig.1, le piston est auP.M.H. Dans la Fig.2, le piston a légèrement dépassé le P.M.H (de 1 cm). Les Fig.3 & 4 représentent une culasse dont la forme spéciale avec "piédestal" permet de diminuer la hauteur, donc le poids du piston auxiliaire; sur la Fig.3, le piston est au P.M.H, sur la Fig.4, le piston a légèrement dépassé le P.M.H (de 1 cm). La hauteur de ce "piédestal" peut présenter toutes les valeurs intermédiaires entre les 2 catégories de figures avec, cependant, les meilleurs compromis tendant vers la Fig.3. Sur toutes ces figures, la culasse est vue en coupe, le piston est vu de profil. chambre auxiliaire d'une hauteur de 3,161 me. chambre principale d'une hauteur de 13,044 mm (au P.M.H). h : piston auxiliaire d'une hauteur de 13,044 mm + 3,3 mm = 16,344 mm. (les 3,3 mm représentent la profondeur de pénétration du piston auxiliaire dans la chambre auxiliaire au P.M.H). P : piston principal de diamètre 90 mm. I : injecteur. J : plan de séparation culasse/cylindre. Pour les Fig.3 & 4, la hauteur du piston auxiliaire est de 3,3 mu et ce dernier pénètre entièrement dans le cylindre auxiliaire au P.M.H. + b + 1,406 mm = 14,45 mm. C : cloison périphérique de 2 mm d'épaisseur. Pl : piédestal. REVENDICATIONS 1) - Moteur à injection directe à auto-allumage et à bas taux de compression, caractérisé par le fait que - L'injection se fait dans une chambre auxiliaire, dans laquelle l'air se trouve rapidement surcomprimé en fin du temps de compression par rapport à l'air contenu dans la chambre principale, - La forme de cette chambre auxiliaire est cylindrique, de faible épaisseur, et coaxiale avec le cylindre et le piston principal, - La chambre auxiliaire sera avantageusement aménagée à l'extrémité d'un piédestal (inversé), de façon à diminuer au maximum la hauteur, donc la masse du piston auxiliaire, coaxial avec le piston principal et solidaire de celui-ci, - Par l'obtention de taux de compression pour la chambre auxiliaire et pour la chambre principale, respectivement de l'ordre de 18 et 11, ces bas rapports volumétriques étant recherchés de façon à faire travailler le moteur avec des contraintes thermiques modérées, et avoir un moteur possédant un équipage mobile léger, donc pouvant tourner vite. 2) - Moteur à auto-allumage selon la revendication (1), caractérisé par le fait que le démarrage peut s'effectuer gr8ce au faible rapport volumétrique selon un mode de fonctionnement avec carburateur, mélangeant l'air admis avec du G.P.L. gaz de pétrole liquéfié (butane + propane) contenu dans-une petite bouteille, et utilisée pendant quelques.secondes après le démarrage, ce type de démarrage permettant une mise en chauffe très efficace de la culasse, et de fournir de l'énergie mécanique immédiatement. 3) - Moteur à auto-allumage selon les revendications (1) et (2), caractérisé par le fait qu'il est enfermé avec ses accessoires indispensables, dans une enceinte étanche, compacte, et très efficacement isolée thermiquement,~le refroidissement et/ou le réchauffage se faisant par fluide caloporteur traversant les parois de l'enceinte isolante. 4) - Moteur à auto-allumage selon les revendications (1), (2) et (3), caractérisé par le fait qu'il peut être réalisé sous la forme de moteur 2 temps ou 4 temps, "sans soupapes" à fourreaux coulissants, la réalisation d'un moteur 4 temps à soupapes étant cependant réalisable.