Brevet FR2536462A1 — publié le 19840525

i DISPOSITIF D'INJECTION POUR CARBURANTS ALCOOLS, EN PARTICULIER POUR DES MOTEURS DIESEL A INJECTION DIRECTE. L'invention concerne un dispositif d'injection pour des carburants alcools de remplacement (éthanol, méthanol), en particulier pour des moteurs Diesel à injection directe, permet- tant d'utiliser dans des moteurs les carburants alcools à auto- allumage difficile, sans avoir recours à un allumage auxiliaire. Quand on utilise des carburants alcools de remplace- ment avec des moteurs Diesel à injection directe, il faut éle- ver la température régnant dans la chambre de combustion d'un moteur Diesel à injection directe, fonctionnant normalement avec un combustible à auto-allumage facile (combustible Diesel) pendant la phase d'injection du carburant alcool à auto-alluma- ge difficile, jusqu'à ce que la température d'auto-allumage du carburant alcool soit atteinte. On sait que des mesures spéciales sont nécessaires, pour qu'on puisse utiliser dans des moteurs sans allumage auxi- liaire des carburants alcools dont l'auto-allumage est diffi- cile On peut l'obtenir en ajoutant un accélérateur d'allumage, comme le kérobrisol ou le nitrate d'amyle, qui abaisse la tempé- rature nécessaire pour l'auto-allumage D'autre part on obtient ce résultat par des mesures prises sur le moteur, en ce que le niveau de température est élevé-vers la fin du temps de compres- sion jusqu'au-delà de la température d'auto-allumage. Comme il découle de l'équation polytropique pour l'aug- mentation de température pendant la compression, la température de la charge à la fin du temps de compression dépend essentiel- lement de la température existant à la fermeture de la soupape d'admission et du niveau du taux de compression, En plus de 1 ' élévation du taux de compression, l'élévation de la température de l'air d'aspiration est donc importante Ce dernier point peut être réalisé soit par réchauffage de l'air d'aspiration, soit par mélange de celui-ci avec des gaz d'échappement chauds, qui peuvent provenir soit d'un brûleur séparé soit, simplement, du tuyau d'échappement. Dans la plupart des moteurs Diesel, à cause de l'im- portant retard à l'allumage, à l'instant de l'allumage il y aura déjà une quantité relativement grande de mélange inflam- a'ble, ce qui entraîne une combustion brusque, avec tous ses effets négatifs concernant la transmission et le bruit Le pro- cédé M de MAN évite cette difficulté à l'aide de l'application du combustible sur la paroi, ce qui assure que seules des pe- tites quantités de combustible sont traitées au commencement de la combustion et que le reste de la combustion se déroule d'une manière contrôlée à l'aide de la rotation de l'air Mais Io on a constaté que, si le moteur fonctionne seulement avec de l'alcool, le démarrage et l'échauffement ne peuvent être réa- lisés qu'avec une aide au démarrage, par exemple sur la base d'une installation pilote de démarrage Si, avant d'arrêter le moteur, on passe chaque fois au combustible Diesel, le démarra- ge ultérieur peut se faire avec uniquement du combustible Die- sel L'équipement d'injection se distigue du moteur polycarbu- rants conventionnel par un élément de pompe agrandi à cause de la valeur calorifique plus faible. Comme autre procédé de formation du mélange pour fai- re marcher des moteurs Diesel à injection directe avec des car- burants alcools, on a étudié l'injection du méthanol par tube d'aspiration, la méthode par émulsion combustible Diesel/métha- nol et l'injection directe du méthanol Dans l'injection par le tube d'aspiration, du méthanol est mélangé, dans le tube d'as- piration, à l'air aspiré L'allumage est assuré par le combus- tible Diesel, injecté d'une manière conventionnelle A cause de différents problèmes (par exemple, en régime sous charge par- tielle, ce procédé cause des ratés d'allumage, de sorte que 1 ' apport de méthanol doit être fortement réduit dans ce régime), une substitution du combustible Diesel par le méthanol à l'aide de l'injection par le tube d'aspiration n'est possible que d'une manière limitée, dans l'état actuel de la technique Des problè- mes se scut proidt avec la méâinda par émulsion, dar laquelle on a utilisé un mélange de combustible Diesel et de méthanol, à la place du combustible Diesel Comme on ne connaît jusqu'à maintenant aucune méthode pour créer un mélange stable avec le 253 462 combustible Diesel et le méthanol, il faut produire une émul- sion dans le système des carburants par un mélange mécanique continuel et intensif Par suite de la chaleur élevée de vapo- risation, le méthanol émulsifié a un mauvais effet sur le re- tard à l'allumage du combustible Diesel et, dans le régime sous charge partielle, les émissions d'HC et de CO sont fortes; il peut même y avoir alors des ratés à l'allumage. L'injection directe de méthanol en liaison avec un jet de combustible Diesel pour l'allumage, le procédé dit par jet d'allumage, offre ici des possibilités meilleures Les re- cherches avec une injection directe de méthanol ont été réali- sées pour deux procédés différents d'injection directe Il s'a- git des procédés de combustion connus dans la pratique sous les noms D et Z Dans ces deux procédés, la formation du mélange est assistée par un tourbillon d'air produit dans le canal d'as- piration Le procédé D travaille avec une injection proche de la paroi dans une cavité profonde: en liaison avec une rotation élevée de l'air, il se produit une forte superposition de char- ge, sous forme d'un anneau de mélange Dans le fonctionnement à deux carburants, le méthanol est injecté près de la paroi, avec l'injecteur classique à deux trous du fonctionnement Die- sel pur Pour engager la combustion, on introduit dans la cham- bre de combustion un jet d'allumage de combustible Diesel, au moyen d'un injecteur supplémentaire à un trou La direction du jet d'allumage de combustible Diesel est choisie de manière que dans toute la gamme de vitesses, il constitue une flamme d'allu- mage sûre pour le mélange méthanol-air Avec le procédé Z, dans le fonctionnement Diesel de série, le combustible est injecté par un injecteur central à quatre trous à répartition dans l'es- pace, dans une cavité ouverte et plate de chambre de combustion. Dans le fonctionnement à deux carburants avec du méthanol, l' allumage est assuré par un injecteur de combustible Diesel, qui injecte en diagonale à travers la chambre de combustion et qui a une longueur libre de jet relativement grande. Le but de l'invention, qui concerne des moteurs Die- sel à injection directe pour des carburants alcools est d'in- jecter dans la chambre de combustion le combustible Diesel à allumage facile et le carburant alcool à allumage difficile à l'aide d'un dispositif d'injection de manière que, grâce au combustible Diesel à allumage facile, dont le commencement de l'injection doit être antérieur à celui du carburant alcool, le niveau de température régnant dans la chambre de combustion vers la fin du temps de compression s'élève audessus de la température d'auto-allumage du carburant alcool et/ou qu'à 1 ' aide du combustible Diesel, on obtienne une préparation de la combustion et un allumage sûr dans toute la plage de fonction- nement du moteur. Ce but est atteint suivant l'invention en ce que, dans le système à deux carburants, combustible Diesel et car- burant alcool, ce dernier arrive continuellement dans le dis- positif d'injection, par exemple-à l'aide d'une pompe à engre- nagesw et que le combustible Diesel y arrive d'une manière dis- continue, avec une pompe à injection de type connu, par l'in- termédiaire de canaux d'arrivée séparés du dispositif d'injec- tion L'ouverture et la fermeture des trous d'injection pour le combustible Diesel et le carburant alcool sont provoqués chaque fois par le combustible Diesel refoulé par la pompe d' injection, par l'intermédiaire d'une soupape à aiguille com- mandée par le liquide de type connu Sous l'action de l'aiguil- le d'injecteur, qui s'appuie sur le siège de soupape avec une forte précharge réglable, on peut déterminer à l'avance la pression d'ouverture Po, de manière à régler dans le temps dans certaines limites, différents temps d'ouverture et de fermeture pour les deux soupapes à aiguilles commandées par le liquide Si c'est nécessaire et si on le désire pour le fonc- tionnement d'un moteur Diesel à injection directe, le combus- tible Diesel peut aussi être amené continuellement avec une pompe à engrenages et le carburant alcool peut être amené d'une manière discontinue avec une pompe à injection de type conve- nable, de manière que la commande des deux soupapes à aiguilles soit assurée par le carburant alcool. Ainsi, selon l'invention un dispositif d'injection de carburants, en particulier pour des carburants alcools de 253 A 462 remplacenent dans des moteurs Diesel à injection directe, dans lesquels, à la fin du temps de compression, du combustible Diesel est injecté par un trou d'injection dans la chambre de combustion, du carburant alcool y étant injecté par un ou plu- sieurs trous d'injection est caractérisé en ce que le commen- cement de l'injection du combustible Diesel à allumage facile se produit antérieurement au commencement de l'injection du carburant alcool à allumage difficile et que la fin de l'in- jection du premier se produit postérieurement à celle du second de sorte que, pendant tout le cycle d'injection, le combusti- ble Diesel est disponible comme aide à l'allumage du carburant alcool. De préférence, la commande dans le temps des diffé- rents commencements et fins d'injection du combustible Diesel et du carburant alcool est obtenue par le fait que les rondell- les de réglage de pression sont réglées sur des pressions d' ouverture PO différentes. Pour la commande de la soupape à aiguille destinée au combustible Diesel et pour la commande de la soupape à ai- guille destinée au carburant alcool, un seul liquide est néces- saire dans le système d'injection à deux carburants. Dans un système d'injection à deux carburants Diesel et alcool, le liquide commandant les soupapes à aiguilles est refoulé par une pompe à injection et l'autre liquide est in- jecté d'une manière discontinue par une pompe à engrenages, avec un refoulement continu. Les trous d'injection communiquent, dans leur sec- tion transversale la plus étroite, par l'intermédiaire des fentes d'aspiration, avec la chambre de combustion, de sorte que, dans l'élargissement en forme de diffuseur des trous d'injection, auquel se raccorde une partie cylindrique, il se produit un flux du liquide correspondant en deux phases, qui est introduit par les pilotages différents dans le temps - des soupapes à aiguilles, dans la chambre de combustion, sous forme de charges superposées. Dans la soupape à aiguille actionnée par un liquide de cormmande, le liquide de fuite qui est entre la chambre de pression et la chambre collectrice est dirigé vers celle-ci, de sorte qu'un conduit supplémentaire d'huile de fuite est supprimé. Le trou d'injection pour le combustible Diesel forme avec le trou d'injection ou un des trous d'injection pour le carburant alcool un angle tel que les jets d'injection du com- bustible Diesel et du carburant alcool arrivent l'un sur 1 ' autre dans la chambre de combustion de sorte que le jet d'in- jection Diesel agit comme un jet d'allumage. Le combustible Diesel qui est à une pression légè- rement supérieure à celle du carburant alcool, s'écoule, comme huile de fuite, de la chambre de pression vers la chambre col- lectrice, de sorte que, dans ce tronçon, la soupape à aiguille est graissée par le combustible Diesel. L'invention va être expliquée plus en détail à l'ai- de d'un exemple d'exécution représenté sur les dessins annexés. La figure 1 de ces dessins est une coupe axiale d'un corps d'injecteur, selon l'invention. La figure 2 est une vue de dessus du corps d'injec- teur. La figure 3 est une coupe axiale de l'extrémité d' une variante de corps d'injecteur. La figure 4 enfin est un schéma, en plan, de la chambre de combustion. La figure 1 représente un corps d'injecteur 10, com- portant un canal d'arrivée 11 du combustible Diesel, qui con- duit ce combustible, par l'intermédiaire d'un canal annulaire 12 et des canaux d'arrivée 13 et 14, aux chambres de pression 15 et 16, de sorte que, quand la pression d'ouverture PO est atteinte, pression qui est réglable séparément, pour les sou- papes à aiguilles 17 et 18 commandées par le liquide, au ni- veau des ressorts de pression 19 et 20 par l'intermédiaire des rondelles de réglage 21 et 22, les soupapes à aiguilles 17 et 18 peuvent être actionnées, dans certaines limites, indépen- damment l'une de l'autre dans le temps Le canal d'arrivée 13 pour le combustible Diesel continue de la chambre de pression jusqu'au trou en forme de poché 23, d'o le combustible peut pénétrer, par le trou d'injection 24, dans la chambre de combustion 25, quand la soupape à aiguille 17 est ouverte Le canal d'arrivée 14 finit dans la chambre de pression 16, de sorte que le liquide pénétrant dans ce canal d'arrivée sert seulement à la commande de la soupape à aiguille 18 Par le canal d'arrivée 26 et par l'intermédiaire de la chambre collec- trice 27, le deuxième composant de la combustion le carburant alcool, dans le cas décrit ici arrive jusqu'au trou en forme de poche 28, d'o le carburant alcool peut pénétrer, par le trou d'injection 29, dans la chambre de-combustion 25, quand la soupape à aiguille 18 est ouverte L'ajustage de la soupape à aiguille 18, dans le corps d'injecteur 10, entre la chambre de pression 16 et la chambre collectrice 27, correspond à 1 ' ajustage habituel avec des soupapes à aiguilles commandées par un liquide Comme, suivant l'invention, sur la soupape à ai- guille 18 la pression du liquide de commande est plus grande que celle du liquide à injecter, le sens du flux du liquide de fuite va de la chambre de pression 16 à la chambre collectrice 27 Par les fentes d'aspiration 30 a, 30 b, on obtient que, dans la section transversale la plus étroite des trous d'in- jection 24 et 29, de l'air soit aspiré en provenance de la chambre de combustion 25, de sorte qu'avec les carburants Die- sel et alcool, des flux à deux phases se produisent, qui pénè- trent, par les trous d'injection 24 et 29, dans la chambre de combustion 25 Pour qu'on obtienne des conditions de flux op- timales dans les trous d'injection 24 et 29, on peut prévoir en aval de ceux-ci un élargissement 31 a, 31 b en forme de diffu- seur, qui comporte une partie cylindrique 32 a, 32 b. Sur la figure 2, on a représenté la disposition du canal annulaire 12 dans le corps d'injecteur 10, avec les ca- naux d'arrivée 13 et 14 pour le combustible Diesel et avec le canal d'arrivée 26 pour le carburant alcool avec les soupapes à aiguilles 17 et 18 commandées par le liquide. La figure 3 représente une disposition possible d' interjection pour le procédé Z: le combustible Diesel sortant du trou en forme de poche 23 est injecté en diagonale, par l'intermédiaire d'un trou d'injection 24, dans la chambre de combustion 25, de façon à servir de flamme d'allumage pour le carburant alcool, qui arrive par l'intermédiaire du trou bor- gne 28 et par quatre trous d'injection 29 a à 29 d, dans la cham- bre de combustion 25. Les avantages obtenus avec l'invention consistent essentiellement en ce qu'avec des moteurs Diesel à injection directe comportant un dispositif d'injection qui est réalisé, suivant l'invention, comme un injecteur à deux carburants, du combustible Diesel et du carburant alcool peuvent être injec- tés dans une chambre de combustion de sorte que le combustible Diesel, dont l'auto-allumage est facile, est utilisé pendant tout le temps d'injection pour aider l'allumage du carburant alcool, dont l'auto-allumage est difficile Dans le fonction- nement à deux carburants, le carburant alcool est injecté dans la chambre de combustion à la fin du temps de compression; l'injection du combustible Diesel commence-un peu avant, de manière que la pression d'ouverture PO appliquée à la soupape à aiguille 17 commandée par le liquide pour le combustible Diesel, soit réglée avec la rondelle de réglage de pression 21 à une valeur plus faible que celle réglée, avec la rondelle de réglage de pression 22, sur la soupape à aiguille 18 commandée par le liquide pour le carburant alcool. Un autre avantage essentiel du dispositif d'injection est qulavec l'injection directe des carburants Diesel et alcool, pour la commande des deux soupapes à aiguille 17, 18 un seul composant des carburants est nécessaire: c'est celui qui est refoulé d'une manière discontinue par une pompe à injection, de sorte que, pour le refoulement du deuxième composant, il ne faut pas une deuxième pompe à injection et qu'une pompe à en- grenages à refoulement continu suffit, cette pompe étant d'une construction et d'un fonctionnement nettement plus simples et d'un prix plus avantageux Du fait que la commande des deux soupapes à aiguilles 17 18 peut être réalisée par la même pom- pe à injection dans un circuit de commande, les temps diffé- rents pour l'ouverture et la fermeture des deux soupapes à aiguilles 17, 18 sont réglables avec précision. Par ailleurs, avec les fentes d'aspiration 30 a, 30 b, qui sont aux endroits les plus étroits des trous d'injection 24, 29, on peut agir sur la dureté et la profondeur de péné- tration des jets dans le dispositif d'injection suivant l'in- vention, de manière à ce qu'il se produise, dans la chambre de combustion, une superposition de charges. A l'aide de principes théoriques et de valeurs carac- téristiques qui sontà déterminer dans des essais, on peut con- cevoir le dispositif d'injection conforme à l'invention pour les carburants Diesel et alcool de manière à obtenir une substitu- tion optimale du combustible Diesel par le carburant alcool, avec des conditions d'allumage avantageuses pour des dimensions et une géométrie déterminées de la chambre de combustion. Les carburants alcool créent des difficultés dans l'injection à haute pression En particulier la faible visco- sité entraîne des phénomènes d'usure aux endroits qui sont spécifiquement soumis à des contraintes importantes Avec les mesures conformes à l'invention, ces problèmes peuvent être largement considérés comme résolus du côté de la pompe, puis- qu'une pompe à injection pour le carburant alcool peut être supprimée De même, les problèmes d'usure aux endroits spéci- fiquement soumis à des contraintes importantes à cause de la basse viscosité des carburants alcools peuvent être évités, du fait qu'on obtient un effet de graissage à l'aide du combusti- ble Diesel qui s'écoule à ces endroits sous forme d'huile de fuite. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'injection de carburants, en parti- culier pour des carburants alcools de remplacement dans des moteurs Diesel à injection directe, dans lesquels, à la fin du temps de compression, du combustible Diesel est injecté par un trou d'injection dans la chambre de combustion, du carburant alcool y étant injecté par un ou plusieurs trous d'injection est caractérisé en ce que le commencement de l'injection du combustible Diesel à allumage facile se produit antérieurement au commaencement de l'injection du carburant alcool à allumage - difficile et que la fin de l'injection du premier se produit postérieurement à celle du second, de sorte que, pendant tout le cycle d'injection, le combustible Diesel est disponible comme aide à l'allumage du carburant alcool. 2 Dispositif d'injection suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la commande dans le temps des différents commencements et fins d'injection du combustible Diesel et du carburant alcool est obtenue par le fait que les rondelles de réglage de pression ( 21, 22) sont réglées sur des pressions d'ouverture PO différentes. 3 Dispositif d'injection suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour la commande de la soupape à aiguille ( 17) destinée au combustible Diesel et pour la com- mande de la soupape à aiguille ( 18) destinée au carburant al- cool, un seul liquide est nécessaire dans le système d'injec- tion à deux carburants. 4 Dispositif d'injection suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans un système d'injection à deux carburants Diesel et alcool, le liquide commandant les soupapes à aiguilles( 17, 18) est refoulé par une pompe à in- jection et que l'autre liquide est injecté d'une manière dis- continue par une pompe à engrenages, avec un refoulement con- tinu. Dispositif d'injection suivant les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le liquide commandant les soupa- pes à aiguilles ( 17, 18) est amené aux canaux d'arrivée ( 13, 14) par un canal annulaire ( 12). 6 Dispositif d'injection suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, dans la soupape à aiguille ( 18) actionnée par un liquide de commande, le liquide de fuite qui est entre la chambre de pression ( 16) et la chambre collectri- ce ( 27) est dirigé vers celle-ci, de sorte qu'un conduit sup- plémentaire d'huile de fuite est supprimé. 7 Dispositif d'injection suivant les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le trou en forme de poche ( 23) pour le combustible alcool débouche dans un ou plusieurs trous d'injection ( 29). 8 Dispositif d'injection suivant les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les trous d'injection ( 23, 29) communiquent, dans leur section transversale la plus étroite, par l'intermédiaire des fentes d'aspiration ( 30 a, 30 b), avec la chambre de combustion ( 25), de sorte que, dans l'élargisse- ment en forme de diffuseur des trous d'injection, auquel se raccorde une partie cylindrique, il se produit un flux du liquide correspondant en deux phases, qui est introduit par les pilotages différents dans le temps des soupapes à ai- guilles ( 17, 18), dans la chambre de combustion ( 25), sous forme de charges superposées. 9 Dispositif d'injection suivant les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le trou d'injection ( 24) pour le combustible Diesel forme avec le trou d'injection ( 29) ou un des trous d'injection ( 29) pour le carburant alcool un angle tel que les jets d'injection du combustible Diesel et du coe- burant alcool arrivent l'un sur l'autre dans la chambre de combustion ( 25) de sorte que le jet d'injection Diesel agit comme un jet d'allumage. Dispositif d'injection suivant les revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le combustible Diesel,' qui est à une pression légèrement supérieure à celle du carburant alcool, s'écoule, comme huile de fuite, de la chambre de pression ( 16) vers la chambre collectrice ( 27), de sorte que, dans ce tron- çon, la soupape à aiguilles( 18) est graissée par le combustible Diesel.