Brevet FR2536760A1 — publié le 19840601

CARBURANT LIQUIDE POUR MOTEURS A COMBUSTION INTERNE A ALLUMAGE SPONTANE A CYCLE DIESEL. La présente invention se réfère à un carburant liquide pour moteurs à combustion interne à allumage spontané à cycle Diesel. Le carburant employé pour le fonctionnement de ces moteurs est actuellement le gas-oil lequel, comme on sait, est essentiellement un mélange d'hydrocarbures pouvant être obtenu comme fraction particulière dans la distillation du pétrole brut, ou par certains traitements particuliers entraînant des variations de structure et distillation du pétrole lui-même. On sait aussi que les réserves actuelles estimées des gise- ments pétrolifères mondiaux, leur emplacement particulier, les conflits intérieurs entre les états producteurs et entre ceux-ci et les autres puissances, ont mis en relief la dépendance grave de toutes les nations vis-à-vis du pétrole pour toutes les technologies Cette dépendance peut condi- tionner le bien-être acquis des nations dites avancées. Afin de se débarrasser de cette dépendance excessive, on a cherché de nouvelles sources ou formes d'énergie de rempla- cement. En particulier, ce problème est fortement perçu dans les pays qui, tout en ayant un fort développement technologique et industriel, ont des ressources pétrolifères naturelles a 536760 faibles ou nulles, et dépendent donc substantiellement des pays étrangers producteurs. Ces pays, en attendant que les développements technologiques sur les énergies de remplacement puissent offrir des solu- tions suffisamment économiques et sûres, doivent s'engager à exploiter et développer les sources énergétiques naturelles en leur possession qui ont été jusqu'ici négligées ou ignorées. Parmi ces sources énergétiques naturelles, en voie de déve- loppement, quelques types de carburant pour moteurs à combustion interne sont connus g comme, par exemple, ceux à base d'alcools, obtenus essentiellement à partir des hydra- tes de carbone, tels que canne à sucre; ceux à base d'hy- drogène liquide, et ainsi de suite, en général orientés vers l'emploi dans les moteurs à explosion à cycle à huit temps. Ces combustibles connus présentent, cependant, quelques inconvenients qui imitent ou empechent leur emploi Ainsi par exemple, certains combustibles ne sont pas compétitifs du point de vue économique, d'autres sont fortement pollués, d'autres encore sont dangereux En outre, beaucoup de ces combustibles connus exigent des modifications substantiel- les des moteurs à combustion interne qui, pour l'instant, ne sont pas facilement réalisables ou de toute façon sont anti- économiques. Le but de la présente invention est de réaliser un carburant liquide pour moteurs à combustion interne à allumage sponta- né, ou cycle Diesel, qui soit exempt des inconvénients susdits. Plus particulièrement, l'invention se propose de réaliser un carburant liquide pour les usages susmentionnés qui ait un coût de réalisation faible et de toute façon compétitif avec celui du gas-oil, au moins les mêmes caractéristiques et le même rendement que le gas-oil et qui puisse être employé en remplacement de celui-ci sans besoin d'aucune intervention ou modification des moteurs. -3- Un autre but de la présente invention est de réaliser un combustible pour moteurs à combustion interne à allumage spontané, qui ne soitabsolument pas dangereux, qui soit très stable dans le temps, qui ne produise pas dans la combustion de substances incrustantes et qui ne dégage à l'échappement substantiellement aucun gaz polluant. Selon la présente invention ces buts sont obtenus au moyen d'un combustible liquide pour moteurs à combustion interne à allumage spontané, constitué par un mélange, obtenu à tem- pérature et à pression ambiantes, comprenant au moins trois composants, dont un composant est un alcool, le second est au moins un triglycéride d'acides gras liquides et le troi- sième un cétone. L'alcool préféré est l'alcool butylique primaire ou butanol et sa quantité peut varier entre + 10 % et -10 % de la valeur optimale de 47,5 % en volume Le triglycéride d'acides gras liquides est de préférence constitué par de l'huile végétale et sa quantité peut varier entre + 10 % et -10 % de la valeur optimale de 42,5 % en volume. Le cétone préféré est l'acétone et sa quantité peut varier entre + 10 -% et -10 % de la valeur optimale de 10 % en volume. Un combustible liquide plus-particulièrement préféré selon la présente invention, est constitué par: 47,5 % en volume d'alcool butyrique primaire ou butanol (C 4 H OH) 42,5 % en volume d'un triglycéride d'acides gras liquides constitué par une huile végétale quelconque, et % en volume d'acétone (CH 3-CO-CH 3). Les pourcentages susmentionnés garantissent la combinaison optimale des différents composants du mélange constituant le carburant Des variations de plus ou moins 10 % peuvent être utilisées, en maintenant à peu près invariées les caracté- ristiques du carburant. Le contenu relativement élevé de C et de H de l'alcool 4 2536760 butylique primaire constitue une caractéristique avantageu- se et importante, utile pour obtenir une bonne combustion efficace et plus riche, vu que l'atome d'oxygène est plus lié et moins influent que dans les alcools à nombre d'atomes de C plus réduits (tels que l'alcool méthylique ou éthyli- que). Le triglycéride d'acides gras liquides est constitué par n'importe quelle huile végétale, comme les huiles végétales de graines diverses, d'arachides, de pépins de raisin, de tournesol, de mais ou de soja Ces huiles végétales sont substantiellement constituées par 7 + 12 % d'acide palmiti- que, par 11 + 49 % d'acide stéarique, par 41 + 76 % d'acide oléique et par 1,5 + 3,5 % d'autres substances Elles cons- tituent la composante indispensable pour obtenir la viscosi- té nécessaire du carburant Ces huiles, à part leur fonction énergétique, ont aussi la fonction de lubrifiant pour les pompes d'injection et pompes internes du moteur et consti- tuent l'élément modérateur et d'équilibrage du point d'inflammabilité du mélange, de manière à le maintenir dans le cadre des gas-oil actuellement employés Ce point d'inflammabilité est en effet substantiellement égal à celui du gas-oil. Ces huiles ne contenant ni soufre ni paraffine, présents au contraire dans le gas-oil, outre qu'elles garantissent une excellente lubrification, ne produisent pas d'inscrusta- tions sur les parois mécaniques intérieures des moteurs. L'acétone, enfin, est avantageusement employée dans le mélange pour sa forte capacité de bien porter en solution entre eux les deux autres composants En outre, grâce à sa vitesse d'allumage élevée, l'acétone active la propagation de la combustion du mélange, rendant celle-ci continue et uniforme après un allumage obtenu à des valeurs de pression et de température conformes à celles nécessaires pour le gas-oil La présence de l'acétone dans le mélange améliore le rendement de la combustion et assure une célérité supé- rieure des moteurs, soit en phase de démarrage, surtout à froid, soit en phase d'accélération, ou de reprise. Les composants susdits sont mélangés entre eux en les introduisant, à température et pression ambiantes, dans des récipients et en les mélangeant simplement pendant quelques minutes. Le mélange ainsi obtenu peut être immédiatement utilisé comme carburant, ou peut être conservé pour un temps indé- terminé, avant l'emploi, car il constitue une solution homo- gène et stable dans tout le domaine de températures d'emploi habituel. D'après des essais effectués sur différents échantillons, on a pu établir que, soit après six mois, soit après des pério- des plus longues, le mélange de l'invention conserve toutes les caractéristiques initiales, c'est-à-dire qu'on n'a relevé ni débuts de séparation des composants, ni sédiments d'aucune sorte, à la suite de réactions secondaires. Les composants constituant le mélange carburant peuvent être extraits de végétaux et proviennent donc de sources renouve- lables, totalement indépendantes du pétrole et de ses déri- vés. Ainsi, par exemple, le butanol ou alcool butylique primaire est contenu dans le fusel qui est un résidu de la distilla- tion fractionnée de l'esprit de vin ou alcool éthylique En outre, le butanol peut être obtenu par fermentation de substances amylacées en général Les triglycérides d'acides gras liquides, c'est-à-dire les huiles végétales, sont tous d'origine végétale L'acétone peut être obtenue par distil- lation du bois et par fermentation de solutions sucrées, par exemple de la canne à sucre, avec des ferments particuliers. Le mélange décrit peut donc être considéré comme un carbu- rant végétal et sa réalisation à l'échelle industrielle peut être obtenue en programmant et en développant de manière adéquate une branche déterminée de l'agriculture. D'après une deuxième réalisation préférée du mélange-carbu- rant, objet de la présente invention, on peut ajouter aux trois composants susmentionnés un quatrième composant X 4 6- choisi parmi les composés cycliques aromatiques Un exemple de composé cyclique aromatique, préféré dans la réalisation pratique de la présente invention, est le toluène de formule C 6 H 5-CH 3 et sa quantité peut varier entre + 10 % et -10 % de la valeur de 15 % en volume par rapport au mélange. Un mélange à quatre composants, particulièrement préféré dans la réalisation pratique de la présente invention, comprend: 37 % en volume d'alcool butyrique primaire; % en volume d'un triglycéride d'acides gras liquides constitué par une huile végétale quelconque 8 % en volume d'acétone, et % en volume de toluène. Les pourcentages susmentionnés peuvent varier chacun dans un cadre approximativement contenu dans les limites de + 10 % de leur valeur de base, le carburant conservant alors à peu près sans changement toutes ses caractéristiques. Même le mélange à quatre composants peut être employé aussitôt ou conservé longtemps, car il reste une solution homogène et stable dans tout le domaine de températures d'usage habituel. Tandis que les buts et les caractéristiques des trois pre- miers composants ont déjà été décrits avec référence au mélange de base, le quatrième composant présent dans le deuxième mélange susmentionné, c'est-à-dire le toluol, est introduit afin d'enrichir ultérieurement le carburant, grâce à son contenu élevé de C et de H, et de solubiliser les triglycérides de manière à rendre la densité du mélange encore plus proche de la valeur moyenne du gas-oil La pré- sence du toluol permet en outre d'améliorer ultérieurement la combustion du mélange, pour obtenir un rendement légère- ment supérieur à celui du gas-oil et des gaz d'échappement ayant un contenu inférieur de produits imbrûlés Son pour- centage, par ailleurs suffisamment limité, -garantit un fonc- tionnement régulier des moteurs sans hausses excessives de -7température, donc sans compromettre la durée et la conservation des composants essentiels. De manière analogue aux autres composants, le toluène est un produit dérivé de végétaux; on peut en effet l'obtenir en distillant la houille, le baume de la plante de tolu, -la résine de pin, le goudron végétal, l'essence de térébenthine et de résines et quelques huiles grasses. Afin de vérifier si les caractéristiques du présent carbu- rant végétal, à trois ou quatre composants, peuvent être' comparées avec celles du gas-oil, on a exécuté beaucoup d'épreuves pratiques d'essai. Quelques résultats significatifs et les descriptions des méthodologies expérimentales employées sont reportés ci- dessous. Les essais au banc ont été effectués avec un moteur cycle Diesel pour voitures, ayant les caractéristiques suivan- tes CYLINDREE 1700 c REGIME MAXIMAL: 4500 T/min. PUISSANCE MAXIMALE: 55 CV DIN RAPPORT DE COMPRESSION * 1:20 NOMBRE DE CYLINDRES: 4 Le moteur a été relié à un frein de type électromagnétique et équipé de deux réservoirs indépendants dont un plein de gas-oil pour traction automobile et l'autre plein d'un des deux mélanges de carburant végétal. L'essai a commencé à moteur froid avec alimentation en car- burant végétal. Le démarrage a été immédiat et sans difficulté Le fonction- nement au minimum Ajusqu'à la réalisation de la température de régime, avec insertion automatique de l'hélice de venti- lation de refroidissement de l'eau du radiateur, a-été tout à fait régulier. Le moteur a donc été accéléré jusqu'à atteindre les 3000 tours/min auxquels a correspondu, au frein, un couple de 103 J. Avec moteur en marche, on a remplacé l'alimentation en carburant; même dans la phase de transition, c'est-à-dire dans une situation de mélange entre gas-oil et carburant végétal, le fonctionnement du moteur est resté parfaitement régulier. La valeur du couple, à égalité de conditions de fonctionne- ment à 3000 tours/min, même avec alimentation en gas-oil pour traction automobile a été de 103 J. Ce type d'essai, répété pour différents régimes et condi- tions, a permis d'établir que le combustible végétal, dans sa forme de mélange soit à trois soit à quatre composants, offre des performances substantiellement égales à celles du gas-oil normal pour traction automobile Le combustible végétal, objet de la présente invention, est en outre parfaitement compatible et miscible avec le gas-oil normal. A égalité de performances et de consommations, on observe que le combustible végétal présente l'avantage d'être exempt de soufre et de paraffine et, par conséquent, de ne pas produire, pendant la combust ion, des substances corrosives et des incrustations. Ces contrôles ont été exécutés en des temps successifs de et 1000 heures sur les appareils d'injection et sur tous les organes intérieurs du moteur qui entrent en contact avec les produits en combustion, tels que par exemple, pistons, chemises, segments et soupapes. Tous les organes se sont révélés en excellent état, sans aucun signe de corrosion ou d'inscrustations Ces contrôles ont confirmé que la combustion est parfaite et que le combustible n'a pas tendance à former des dépôts à égalité de caractéristiques de viscosité et de densité par rapport au gas-oil traditionnel. Ces résultats permettent d'affirmer que le carburant végétal n'exige aucun type d'additif anti-corrosion et anti- incrustant analogue à ceux employés dans certains carburants actuels. 9 D'autres essais comparatifs entre le carburant végétal, soit à trois, soit à quatre composants, et le gas-oil de trac- tion, concernent la consommation Pour ces essais, on a pro- cédé de la manière suivante On a fait fonctionner le même moteur dans les mêmes conditions de régime, d'abord avec une certaine quantité de carburant végétal, puis avec une quan- tité identique de gas-oil, jusqu'à son arrêt, en chronomé- trant le temps de fonctionnement. Les résultats obtenus sont résumés par les données d'essai suivantes: VITESSE DE REGIME v 3000 tours/min. COUPLE MAXIMAL AU FREIN: 103 J QUANTITE DE CARBURANT: 50 g Avec le gas-oil, le moteur a fonctionné pendant 20 sec. exactement, avec le carburant végétal, le moteur a fonction- né pendant 21 sec et 30/100. D'après cela, on peut remarquer que, à caractéristiques ana- logues, le combustible végétal objet du présent brevet, offre des performances meilleures que celles du gas-oil pour traction actuellement utilisé Un dernier essai fondamental a été celui relatif à l'analyse des gaz d'échappement: ils se sont révélés inodores, dépourvus de fumées et présentant un contenu de substances polluantes légèrement inférieur à celui des gaz d'échappement du gas-oil Ce contenu de gaz polluants est représenté par 0,2 % en volume de CO seule- ment, tandis que d'autres substances, telles que l'oxyde d'azote, sont présentes en quantités insignifiantes. La chaleur spécifique moyenne du carburant végétal liquide, à trois ou quatre composants, objet de la présente inven- tion, est légèrement inférieure à celle du gas-oil pour traction automobile, à savoir: CARBURANT VEGETAL 37297 à 38218 KJ/Kg GAS-OIL POUR TRACTION AUTOMOBILE 41022 à 43115 KJ/Kg - Les résultats excellents obtenus dans les essais expérimen- taux visés ci-dessus, et les analyses des gaz d'échappement, montrent que la petite carence de la valeur de la chaleur spécifique est compensée par une meilleure exploitation du mélange végétal pendant la combustion et que, en conséquen- ce, les pertes pour substances imbr lées sont nettement inférieures. Des essais analogues ont été faits sur des modèles de moteurs Diesel de caractéristiques différentes, appliqués aussi sur différentes voitures produites en série par diffé- rentes firmes. Les résultats des essais et des contrôles exécutés même sur ces moteurs sont comparables à ceux exécutés au banc et ont irréfutablement confirmé les qualités du carburant végétal, objet de la présente invention En conditions climatiques rigides, c'est-à-dire en haute montagne de 18 à 200 C au- dessous de zéro, le carburant végétal, objet de la présente invention, conserve sa fluidité et l'allumage des moteurs a lieu avec la même facilité que dans des conditions climati- ques tempérées Un essai analogue, avec des résultats analo- gues, a été exécuté en période d'été et dans des zones torrides. D'après ce qui est spécifié et décrit et d'après les résul- tats des essais, il est évident que le carburant liquide, objet de la présente invention, outre qu'il constitue un combustible de remplacement du gas-oil, ou éventuellement d'urgence, est apte à pouvoir être utilisé pour n'importe quel type de moteur Diesel sans demander aucune modifica- tion, et sans produire aucune dégradation de puissance ou de durée des organes mécaniques. ll 2536760 Revendications de brevet 1 Carburant liquide pour moteurs à combustion interne à allumage spontané à cycle Diesel, caractérisé par le fait qu'il comprend un mélange d'au moins trois composants, dont un alcool, au moins un triglycéride d'acides gras liquides et un cétone. 2 Carburant liquide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'alcool est l'alcool butylique primaire. 3 Carburant liquide selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le contenu d'alcool butylique primaire dans le mélange est compris entre + 10 % et -10 % de la valeur de 47,5 % en volume. 4 Carburant liquide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le triglycéride d'acides gras est une huile végétale obtenue des arachides, des pépins de raisin, des tournesols, du mais, du soja, d'autres produits végétaux, ou de leurs mélanges. Carburant liquide selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le contenu de triglycéride dans le mélange est compris entre + 10 % et - 10 % de la valeur de 42,5 % en volume. 6 Carburant liquide selon la revendication l, caractérisé par le fait que le cétone est de l'acétone. 7 Carburant liquide selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le contenu d'acétone dans le mélange est compris entre + 10 % et -10 % de la valeur de % en volume. 8 Carburant liquide selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est constitué par: -12 - 47,5 % en volume d'alcool butylique primaire; 42,5 % en volume d'un triglycéride d'acides gras constitué par une huile végétale quelconque, et % en volume d'acétone. 9 Carburant liquide selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient en outre un composé cyclique aromatique. 10 Carburant liquide selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le composé cyclique aromatique est le toluène. 11 Carburant liquide selon la revendication 10, dans lequel le contenu de toluène dans le mélange est compris entre + 10 % et -10 % de la valeur de 15 % en volume. 12 Carburant liquide selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il est constitué par: 37 % en volume d'alcool butylique primaire; % en volume d'un triglycéride d'acides gras liquides constitué par une huile végétale quelconque; 8 % en volume d'acétone, et % en volume de toluène. 13 Carburant liquide selon la revendication 12, caractérisé par le fait que les quantités susmentionnées varient entre + 10 % et -10 %.