Brevet FR2539457A1 — publié le 19840720

L'invention concerne un moteur du type Diesel, rapide, franchement suralimenté à tous les régimes de rotation avec limitation de la pression maximale par combustion quasiment complète du mélange gazeux dans la chambre auxilliaire à expansion automatique accouplée à chaque cylindre du moteur. Il est connu que dans les moteurs Diesel, les hautes pressions de combustion, qui résultent du taux de compression élevé, nécessitent le. renforcement des organes du moteur capables de les supporter : ce qui nuit aux possibilités de fonctionnement à grande vitesse, à la puissance spécifique et au rendement mécanique. Pour ne pas alourdir davantage le moteur et pour disposer de la puissance souhaitée, on est par surcroît appelé à fonctionner souvent à pleine charge avec une richesse de mélange du carburant et de l'air dépassant 80 à 85%, et le rendement baisse sensiblement par suite de ltimpossibilité de faire un melange parfait et d'éviter les imbrûlés. D'autre part, pour préserver le piston du "choc Diesel" lors de l'inflammation du mélange gazeux, on utilise une chambre de précombustion communiquant avec le cylindre par un canal étroit qui freine les gaz et provoque une perte de rendement. C'est pourquoi l'homme de l'art a tenté de remédier à ces inconvénients de différentes façons. C1 est ainsi que dans la partie descriptive de l'art antérieur du brevet français NO 2 364 331, on mentionne les diverses transformations envisagées antérieurement pour faire varier le volume de la chambre de combustion en vue de diminuer la pression maximale, notamment " 9 des dispositifs concernant des chambres auxilliaires à turbulence comportant essentiellement un piston dont la paroi inférieure est conformée au profil de la chambre de combustion et dont la position est hydrauliquement déterminée et maintenue par un servo-piston auxiliaire. " " Ces dispositifs.... ne modifient pas de façon instantanée le volume de la chambre de compensation." Dans le brevet sus-mentionné, il est décrit un dispositif de -compensation volumétrique de la chambre de combustion du cylindre du moteur permettant une combustion à une pression sensiblement constante. Mais ce dispositif ne permet pas d'obtenir un accroissement de puissance d'autant plus que le régime de rotation est forcément limité par l'ensemble des -dispositions proposées. Il- s'agit.d'autre part d'un moteur à inJection directe dans le cylindre. Pour les moteurs rapides, ce système de combustion se heurte, pour sa mise au point, à de grosses difficultés qui sont pour le moment loin d'être résolues, -et présente de sérieux inconvénients notamment des plages de régimes restreintes et d'importantes émissions d'oxyde d'azate et d'hydrocarbures. Dans un autre brevet français NO 2 478 735, on utilise une sg antichambre de combustion "- autrement dit une chambre de précombustion - dont on fait, d'une manière discoetinue et à la demande, varier le volume en fonction des variations du travail demandé au moteur. Dans cette chambre,- a' la suite de la combustion d'un mélange riche en carburant,les gaz sous pression sont chassés vers le cylindre en tourbillonnant dans le but de favoriser leur brassage avec l'air supplémentaire que contient le cylindre pour obtenir une combustion aussi complète que possible.Danscetteantichambre, on cherche à favoriser la turbulence notamment avec la face concave du piston auxiliaire. Mais il est bien connu que la surface et la forme de cette chambre ont une importance considérable. On sait en effet que l'aménagement d'une telle chambre à volume fixe est très délicat et compliqué, à tel point que la plupart des constructeurs utilisent pratiquemment la mcme chambre de turbulence. Le fait que son volume soit variable accroît encore la difficulté, en raison notamment de la faible quantité de gaz mis en oeuvre. Il est à craindre que les avantages escomptés dans un tel dispositif soient fortemen compromis surtout en ce qui concerne le rendement, et cela d'autant plus que le brassage dans le cylindre augmente encore les pertes par les parois, proportionnelles à la vitesse des gaz qui circulent le long des dites parois. D'autre part la partie du cylindre de llantichambre de combustion découverte pendant le fontionnement prolongé à taux de òmpression réduit risque, malgré les précautions prises, d'entre rapidemment détériorée par le déport de particules de carbone (calamine, car il ssagit d'un mélange riche en carburant) avec pour conséquence le grippage du piston auxiliaire. A noter enfin que dans le brevet français NO 2 478 735, les données sont imprécises, incomplètes et de toutes façon nettement insuffisantes pour permettre aisément la réalisation de l'invention : en particulier il n'existe aucune indication sur le mécanisme qui déplace le piston auxiliaire pour faire varier le volume de l'antichambre en fonction de la charge du moteur. Ainsi l'art antérieur révèle l'existence de moteurs Diesel rapides présentant des inconvénients importants tels que manque de puissance, sur lequel les brevets précités n'apportent pas d'amélioration, et excès de poids, alors qu'il est de plus en plus souhaitable pour un moteur d'automobile de disposer d'une puissance élevée sous un faible volume et un moindre poids. C'est précisemment l'objet de l'invention de proposer, > pour atteindre ces objectifs, une solution mécaniquement et thermiquement acceptable par le moteur Diesel à régime rapide caractérisée par la possibilité de le surali menter franchement grâce à la limitation de la pression maximale de combustion. Avec une suralimentation à tous les régimes de rotation à une pression d'air comprise entre 1,8 et 3,6 bars, ce moteur Diesel selon l'invention, ...comportant des cylindres dans chacun desquels se déplace le piston solidaire: du vilebrequin, se-caractérise en ce que, selon les figures 2 et 3, chaque cylindre 2 communique par un canal aérodynamique 12 de section suffisante avec une chambre auxiliaire 1 à expansion automatique rapide dans laquelle s'effectue la combustion quasiment complète du mélange gazeux à une pression limitée et sensiblement constante grâce au va-et-vient diun piston auxiliaire 3 au dos duquel est appliquée en permanence par des moyens appropriés une contrepression fixe prédéterminée. La suralimentation en effet permet d'augmenter notablement la puissance spécifique : l'introduction dans le cylindré d'une charge d'air plus importante et corrélativement l'inJection d'une quantité de combustible plus grande augmente la pression moyenne efficace. L'exploitation maximale de la cylindrée a des conséquences favorables d'une part sur le poids et l'encombrement du moteur, d'autre part sur son rendement, voire ses nuisances. L'utilisation d'un compresseur de bon rendement calculé pour tirer le meilleur parti des bouffées d'échappement et dont l'entrainement ne nécessite qu'une puissance assez faible permet d'avoir un moteur franchement suralimenté à tous les régimes rotation à une pression d'air comprise entre 1,8 et 3,6 bars. On peut même espérer récupérer en partie l'énergie des gaz d'échappement. Mais l'augmentation de la pression d'air à l'admission,surtout si elle est importante, entrain une élévation considérable- de la pression de combustion inacceptable pour le moteur. I1 faut donc ramener à un niveau convenable cette pression maximale de combustion, qui peut même être inférieure à celle d'un moteur non suralimenté, par l'utilisation d'une chambre auxiliaire: de combustion à expansion automatique dès que les gaz atteignent une pression limite prédéterminée. Grâce à la limitation de cette pression, on supprime en même temps les crêtes de température, entrainant une diminution des pertes par rayonnement tout en réduisant la formation d'oxyde d'azote qui est d'autant plus importante que la température est plus élevée. On obtient ainsi une combustion à pression sensiblement constante pendant une plus grande partie de la rotation du vilebrequin et à un moment où le maneton se trouve dans une position favorable pour -fournir une force rotative importante. La limitation de la pression maximale a en outre pour effet de diminuer nettement l'intensité du "choc Diesel " lors de 1'inflammationdont le délai est aussi considérablement réduit par suite de l'élévation de la température en fin de compression. Les améliorations précitées, c'est à dire limitation de la pression maximale et combustion à pression sensiblement constante, sont illustrées par la figure 1 annexée. Le diagramme développé Pression/Angle de rotation du moteur selon l'invention ( figure 1 courbe en trait continu) fait ressortir par comparaison au diagramme classique du moteur non suralimenté (même figure courbe en tirets ) un rapprochement sensible avec le cycle envisagé par Diesel lui-même. Il faut ajouter que la richesse du mélange air et carburant est volontairement limité à 75% au maximum pour un meilleur rendement de la combustion et une diminution de la pollution, les gains en puissance spécifique étant suffisants pour ne pas avoir besoin de dépasser cette proportion même à pleine charge I1 estprécisé-enfin que la contrepression fixe prédéterminée appliquée au dos du piston auxiliaire 3 est obtenue par un dispositif hydraulique, pneumatique, hydropneumatique, ou par un moyen mécanique constiuè' par des ressorts en acier de toutes formes, ou au moyen de ressorts à huile mettant en oeuvre sa compressibilité. La description du fonctionnement du moteur selon l'invention est précisée ci-après en se reportant aux figures 2 et 3 annexées qui donnent des exemples de réalisation possible. La figure 2 est une coupe verticale transversale de la partie haute du. moteur comportant un dispositif de réglage de la contrepression par des moyens oléo-pneumatiques, tandis que la figure 3 représente un dispositif équipé de moyens mécaniques. Selon les figures 2.et 3, l'air venant du compresseur, admis dans le cylindre 2 est encore comprimé parle piston (non représenté) et refoulé pour la majeure partie dans la chambre auxiliaire 1, et, à l'approche du point mort haut, se trouve à une pression légèrement supérieure à celle appliquée sur le dos du piston auxiliaire 3 pour le maintenir en position de volume minimal, si bien que ce piston 3 commence à reculer. Au moment de l'inflamation du combustible pulvérisé par l'inJecteur 8, l'élévation de la température augmente la pression, et le piston 3 déjà en mouvement accélère sa course pendant la combustion; l'expansion rapide de la chambre 1 a pour effet de limiter la pression et de la maintenip sensiblement constante, comme d'ailleurs dans la phase suivante jusqu'a ce que.le piston 3 soit revenu à sa position de départ. Durant cette phase en effet, au fur et à mesure que dans le cylindre 2 le piston du moteur.s'éloigne du point mort haut sous la pression des gaz refoulés de la chambre 1 par le piston 3, le volume de ces gaz reste pratiquemment constant. Le transfert des gaz se fait par un canal 12 de forme aérodynamique de section suffisante pour ne pas les freiner - il n'est plus nécessaire de préserver le piston du moteur du "choc Diesel ... puisque son intensité a été nettement diminuée.Grâce à ce profil du canal -12 on évite de créer dans le cylindre une turbulence génératrice de pertes par les parois d'autant plus importantes que la vitesse des gaz est plus grande o turbulence inutile dans le cadre de l'invention étant donné la très faible quantité d'air contenue dans le cylindre 2 et du fait que la combustion s'est déjà pratiquement totalement éffectuée dans la chambre auxiliaire avec un excédent d'air. Préferentiellement le piston 3 présente une face convexe sur-laquelle une partie du combustible s'étale en couche mince pour se consumerprogres- sivement pendant sa course. Le va-et-vient rapide du piston 3 provoque un brassage énergique des gaz favorisant leur combustion notamment lors de leur refoulement dans le cylindre 2. Etant donné le volume important des gaz admis dans la chambre auxiliaire 1, la surface des parois a beaucoup moins d'influence sur le rendement et l'aménagement de cette chambre est ben moins délicat; de plus le temps de contact des gaz avec les parois du cylindre 4 est très bref, contrairement à ce qui se passe dans le cylindre du moteur. Au démarrage, l'inflammation est facilitée par une bougie de préchauffage (non représentée). D'autre part le graissage du cylindre 4 et le refroidissement de la paroi intérieure du piston 3 peuvent etre assurés par une circulation d'huile automatique (entrée 9 - sortie lu) le piston 3 faisant fonction de pompe aspirante et refoulante. Dans l'exemple de la figure 2, au dos du piston 3 est fixé un axe vertical 7 en matériau résistant non conducteur de la chaleur, relié à un piston hydraulique 5 sur lequel est appliqué en permanence la pression prédéterminée. Le fluide hydraulique 6 est maintenu à une pression sensiblement constante grace à un accumulateur oléo-pneumatique à membrane 11 ; on peut bien sûr le disposer autrement que sur la figure 2 pour diminuer l'encombrement. La pression initiale du fluide hydraulique est obtenue et maintenue par une petite pompe (non représentée) entrainée par un moteur électrique commandé par un manocontacteur avec les dispositifs habituels de régulation et de sécurité. Les circuits hydrauliques de tous les cylindres du moteur sont reliés entre eux pour équilibrer les pressions. Dans le cas de la figure3, la contrepression sur le piston auxiliaire 3 est assurée par un ressort 14 à boudin cylindrique section rectangulaire. Le mode de fixation de la cloche extérieure de maintien du ressort n'est pas représenté Suivant le mode de construction, la chambre auxiliaire de combustion pourra etre insérée dans la culasse, accolée à celle-ci ou au bloc-cylindre. Les dispositions faisant l'objet de l'invention sont applicables aux moteurs Diesel rapides actuels, notamment de voitures autcmobiles et des véhicules utilitaires légers, et meme adaptables à des moteurs à essence suffisemment robustes en limitant la pression maximale à un niveau acceptable pour ce type de moteur. REVENDICATIONS 1 - Moteur du type Diesel rapide franchement suralimenté à tous les régimes de rotation comportant des cylindres dans chacun desquels se déplace le piston solidaire du vilebrequin, caractérisé en ce que chaque cylindre (2) du moteur suralimenté à une pression d'air comprise entre 1,8 et 3,6 bars communique par un canal aérodynamique (12) de section suffisante avec une chambre auxiliaire (1) à expansion automatique rapide où s'effectue pratiquement la totalité de la combustion du mélange gazeux à une pression limitée et sensiblement constante grâce au va-et-vient d'un piston auxiliaire (3) au dos duquel est appliquée en permanence par des moyens appropriés une contrepression fixe prédéterminée. 2 - Moteur du type Diesel selon la revendication 1 caractérisée en ce que la contrepression fixe prédéterminée appliquée au dos du piston auxiliaire (3) est légèrement inférieure à la pression finale due compression de façon qu'au moment de l'inflammation du mélange gazeux le piston auxiliaire soit déJà en mouvement 3 - Moteur du.type Diesel selon les revendication l et 2 caractérisé en ce que la contrepression fixe prédéterminée appliquée au dos du piston auxi-. liaire (3) est obtenue par un dispositif hydraulique-, pneumatique, hydropneumatique. 4 - Moteur du type Diesel selon les revendications 1 et 2 caractérise en ce que la contrepression fixe prédéterminée appliquée au dos du piston auxiliaire (3) est obtenue par un moyen mécanique constitué par des ressorts en acier de toute forme. 5 - Moteur du type Diesel selon les revendications I et 2 caractérisé en ce que la contrepression fixe prédéterminée appliquée au dos du piston auxiliaire (3) est obtenue par des ressorts à huile mettant en oeuvre sa compressibilité. 6 - Moteur du type Diesel selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la chambre auxliaire de combustion (1) communique avec le cylindre (2) par un canal aérodynamique- (12) de section suffisante pour ne pas freiner les ga et éviter les turbulences. 7 - Moteur du type Diesel selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le graissage du cylindre (4) et le refroidissement du piston (3) de la chambre auxiliaire (1) de combustion sont assurés par une circulation d'huile automatique commandée pas le piston auxiliaire (3) lui-même. 8 - Moteur du type Diesel selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le mélange gazeux carburant-air comportè un excédent d'oxygène tel que sa richesse soit au maximum de 75%. 9 - Moteur du.type Diesel selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la chambre auxiliaire de combustion (1) est insérée dans la culasse accolée à celle-ci ou au bloc cylindre. 10 - Moteur du type Diesel selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en ce qu'il est réalisé à partir de moteurs Diesel rapides actuels notamment de voitures automobiles et de véhicules utilitaires légers, et à partir de moteurs à essence robustes en limitant la pression maximale à un niveau acceptable pour ce type de moteur.