Brevet FR2549896A1 — publié le 19850201

La technique actuelle des moteurs à pistons est scindée en deux groupes de machines suivant leur cycle thermodynamique et surtout leur mode d'allumage et de combustion du combustible. Dans le groupe des moteurs dits à 1,explosion ou à "allumage commandé", qu'ils soients du type à carburateur ou à injection, le mélange air/carburant préexiste au début de la combustion et celle-ci est déclenchée le plus généralement par une étincelle éclatant entre les deux électrodes d'une "bougie" à un moment du cycle du moteur qui est bien déterminé et d'ailleurs variable (avance à l'allumage). On admet dans la terminologie courante que ce moteur à mélange préalable et à allumage électrique est un moteur à explosion ou combustion à volume presque constant. Quand ce moteur est à injection, il s'agit d'une injection du carburant pendant la phase d'aspiration de l'air dans le cylindre. Cette injection est faite dans la pipe d'admission d'air de chsque cylindre, ou plus rarement dans le cylindre pendant la phase dtadmission (surtout pour les moteurs d'avions). Dans les moteurs du deuxième groupe qui portent le nom de leur inventeur Ruaolf Diesel, le combustible utilisé constitué par une huile lourde, dénommée gas-oil ou gazole, est trop peu volatil pour que l'on puisse faire un mélange préalable d'air et de vapeur carburé. Le combustible est injecté en fin de compression de l'air dans le cylindre et comme cet air est très chaud, du fait du taux élevé de compression, il enflamme le combustible et celui-ci bible à mesure de son introduction dans le cylindre. Si le phénomène était parfaitement ré glé, on aurait une combustion se continuant à mesure que le piston recule dans la phase motrice (détente) et la pression durant la combustion demeurerait constante. Ce modèle est très théorique car la situation du piston, vers le point mort étant proche du maximum de la course, le recul du piston est assez lent dans la première partie du temps moteur.Le déroulement de la combustion qui dqmarre souvent avec un certain retard, (il faut alors une *avance à l'injection") fait que, dans la pratique., il ya une augmentation de pression due à la combustion. Les cycles réels ont alors un aspect mixte dont le schéma théorique serait:volume constant d'abord puis pression constante. Pour que l'air comprimé puisse enflammer le jet de combustible, il faut que la température de l'air donc le taux de compression volumétrique soit assez élevé. Dans les Diesels rapides pour automobiles le taux de compression est de tordre de 22 à 24. Cependant sans faire de calculs eomplexes et par analogie avec les cycles à combustion à pression constante des turbines à gaz, on peut montrer que les valeurs du taux de compression qui sont les meilleures pour le rendement sont de l'ordre de 14 à 16. Nais la difficulté du démarrage à froid, quoique aidé en pratique par des bougies chauffantes, fait renoncer à ces taux de compression volumétrique optimaux et conduit à préférer des taux plus élevés permettant d'eug- menter la température de l'air par compression. Quant aux moteurs à allumage commandé (ou nà explosion ") on sait que le taux de compression volumétrique est limité par un phénomène parasite de détonation appelé aussi Ucliquetis". Ce phénomène a un caractère destructeur par voie thermique et mécanique localisée. Sur ce genre de moteurs, le taux volumétrique de compression ne peut guère dépasser actuellement 9,5. De très nombreux paramètres influent sur le cliquetis : l'avance à l'allumage, la richesse du mélange air/carburant, la température, la pression du mélange carburé au moment de son admission dans les cylindres, et finalement la composition du carburant. Ces paramètres sont ceux qui influent sur la composition physique et chimique du mélange carburé au moment de son allumage. L'importance de la composition chimique du carburant est telle que les raffineries de pétrole préparent des mélanges d'hydrocarbures en pratiquant sur les pétro- les bruts, des opérations spéciales qui changent la composition chimique des tranches de mélanges naturels. A ces mélanges élaborés d'hydrocarbures on adjoint finalement un catalyseur antidétonnant : le plomb, incorporé sous la forme liquide miscible : le plomb tétraéthyle. La qualité indétonante du carburant pour moteur à explosion est repérée par un indice qui revêt plusieurs variantes t les divers indices d'octane du carburant. Le fait que la suralimentation des moteurs d'automobile tend à se généraliser ne change rien à la généralité des observations précédentes. Du reste les moteurs alternatifs (ou à pistons) d'avion sont généralement suralimentés et c'est leur emploi en très grand nombre pendant la guerre 39-45, et la recherche de hautes puissances massiques qui a lancé l'in- dustrie du raffinage dans la "course à l'octane". L'objet de la présente invention est une combinaison d'un carburant liquide de composition particuliè- re et d'un moteur à combustion interne dont- le taux volumétrique de compression, la distribution et l'allumage sont adaptés à ce carburant pour obtenir un certain nombre de résultats et avantages. Le carburant se caractérise en ce qu'il comporte des portions ou fractions volatiles et des portions ou fractions peu volatiles. Est volatil, au sens de la présente description et des revendications qui la suivent, le carburant habituel des moteurs à explosion et à allumage électrique commandé, dénommé généralement "essence", quise vaporise facilement à la température ambiante et est donc apte à former avec l'air, par évaporation naturelle, un mélange inflammable par étincelle étectrique. Sont généralement volatils l'alcool éthylique ou éthyli-ue, le benzène et d'autres composés déjà utilisés ou proposes pour carburer de l'air p.9r évaporation. Doivent etre considérées au contraire comme peu volatiles au sens de la présente description les huiles que l'on obtient en queue de distillation du pétrole et que l'on utilise sous le nom de gas-oil (ou gazole) pour 1'alimentation des moteurs du genre Diesel fonctionnant avec un taux de compression volumétrique élevé alau moins 22 et à auto allumage du combustible injecté comme on l'a rappelé ci-dessus. Des huiles peu volatiles peuvent être aussi d'une autre origine minérale ou d'origine végétale comme par exemple l'huile de colza. Le carburant mixte contenant des fractions ou portions volatiles et des fractions ou portions peu volatiles peut titre celui obtenu par distillation directe du pétrole comme décrit dans le brevet français du demandeur NO 77 20923, de sorte qu'il comprend une partie légère provenant de la tête de distillation, analogue à l'essen- ce ordinaire et une partie provenant de la queue de distillation, analogue au gazole. Le carburant mixte peut aussi résulter d'un mélange de gas-oil et d'essence d'sutomobile, essence cr- dinaire dopée ou non au plomb ou super-carburant, mélange que l'utilisateur dlun véhicule automobile réalisera lui meme très facilement aux pompes d'une station, lors du remplissage du réservoir. Ce mélange peut titre fait par parties en volume à peu près égales. Le moteur adapté pour forctiozner avec ce car burant mixte a ses cylindres alimentés en air non carbure, compriméou non préalablement, et comporte un dispositif d'injection du combustible dans les cylindres vers la fin du temps de compression. Il se caractérise en ce que son taux de compression volumétrique est de l'ordre de 13 à 17 et en ce que l'allumage du mélange d'air et de combustible injecté est provoqué par étincelles ou effluves électriques chaudes. On n'exclut pas la possibilité d'un allumage avec les dispositifs existants des diesels, dans des climats favorables, ce qui aiderait au lancement de la technique proposée, dans une première phase technologique. On va considérer ces diverses particularités du moteur. Le carburant sera injecté dans l'espace libre de la chambre de combustion, avec une avance sur le point mort haut de compression. Cette avance sera réglee convenablement par la mise au point courante. Cette injection sera donc faite. dans un air déjà comprimé par le temps de compression ou par le compresseur de suralimentation suivi de la compression dans le cylindre. Cette injection sera obtenue par un système de pompes et distributeurs classiques dans les moteurs diesel de mdme catégorie. le préférence l'injection sera directe dans les cylindres du moteur, mais on pourra faire l'injection dans une préchambre, notamment dans des cas dimensionnels rendant difficile l'injection directe. Le liquide injecté, en cours de vaporisation sur les trajectoires des gouttelettes pourra, en partie, subir une déflection par un bossage ou un creux approprié, ménagé sur le piston, ou sur la culasse ou une pièce rapportée sur la culasse ou la bougie, de façon que la fraction défléchie soit ralentie et puisse être enflammée par les électrodes d'une bougie ou l'organe d'inflammation en usage, pour les moteurs à explosions ou les turboréacteurs d'avion. On remarque que le taux de compression volumétrique, relativement élevé, est tel qu'il serait inapplicable dans les moteurs à explosion ordinaires, eniaison du phénomène de détonation dont il a été parlé. Ce taux de compression est néanmoins plus faible que celui des moteurs diesel et par conséquent plus favorable au rendement. Pour l'allumage on pourra utiliser une bougie classique et un système d'allumage normal des moteurs à explosion L'émission d'étincelles pourra aussi être prolongée pour servir de pilote à la combustion. Ainsi la première étincelle pourra etre émise dès le début de l'injectioel de carburant et cette première étincelle pourra titre suivie vautres étincelles pendant tout le temps de l'injection et 8me de la combustion. Un système d'allumage analogue à celui des turboréacteurs pourra apporter plus d'énergie. Il procure aussi la faculté d'enflammer un fluide en mouvement. Le système d'allumage sera simplifié si la précision de son réglage dans le temps n'est pas primordiale. L'émission d'étincelles pourra commencer avant l'injection, notamment pour le démarrage à froid. Elle pourra aussi étre retardée par rapport à l'injection pour obtenir une croissance plus rapide de pression dans certains régimes de fonctionnement. Dans le cas où le moteur sera chaud et l'air atmosphérique tempéré, l'allumage du carburant pourra être spontané dès l'injection dans l'espace mort du cylindre. Le fonctionnement sera alors du genre diesel ; la bougie électrique ne servant à la limite qu'à régulariser le déclenchement de la combustion. Ce fonctionement sera le plus courant, après le démarrage à froid du moteur. Dans les climats très froids, on rendra plus précis l'allumage électrique, si le combustible ne peut pas s'auto-allumer. Par sa volatilisation rapide la partie légère du carburant injecté permettra l'inflammation par tincel- le dans les fonctiornements à froid (démarrage n climats froids). La partie "lourde" du carburants genre gazole, assurera la pénétration du jet d'injection dans l'atmos ère de la chambre de combustion, permettant ainsi l'at- teinte de l'oxygène disponible dans le milieu ambiant, lui-rnême en régime de turbulence. Des creusements du piston ou des bossages combinés avec une forme générale du liston peuvent aider à rendre cette combustion complète. Si la partie légère provient de coupes pétrolières, éthylées ou non (plombées ou non), ou du genre alcools, une valeur relativement élevée de ses indices d'octane ne sera pas à écarter a priori comme on pourrait l'imaginer à cause dela corrélation inverse entre les indices d'octane et de cétane. Le"délai physique" d'inflammation sera très réduit par la tendance à la vaporisation de la partie légère du carburant et pourra compenser un éventuel aceroissement du "délai chimique" d1 inflammati on Par rapport aux moteurs à explosion actuels la nouvelle combInaison apporte les avantages suivants a.Possibilité de fonctionner sans dégradations thermiques et mécaniques à un taux de compression global, plus élevé que dans les moteurs classiques où il ne dépasse guère 9 ; donc d'obtenir un meilleur rendement thermique (ou consommation spécifique) et une puissance volumétrique (k/litre) plus élevée. b. Possibilité de briller des mélanges pauvres, ce qui améliore encore la consommation dans la comparai- son de cas réels de fonctionnement. c. Fonctionner à tous les régimes sans introduire la perte de charge due au vannage de l'air (ou des gaz), le papillon des gaz habituel étant supprimé. d. Diminuer la température d'échappement à cause d'un taux de détente plus élevé, ce qui facilite la tenue d'une turbine entre par les gaz d'échappement. e. Utiliser un carburant moins noble dont l'indice d'octane est indifférent. f. Supprimer, à long terme, la pollution pur le plomb. Par rapport aux moteurs diesel la nouvelle combinaison apporte les résultats suivants a. Possibilité de fonctionner à des taux de compression nettement inférieurs à ceux des moteurs actuels donc plus favorables au rendement. b. Plus grande facilité d'adapter l'injection directe (sans utilisation de préchambres) - donc diminution des psrtes calorifiques. c. Réduction de la puissance demandée au démarreur. De façon générale, l'invention permet d'utiliser un carburant qui cotera moins cher à produire et meme d'utiliser des produits non pétroliers développés par exemple à partir de sources agricoles nationales. Ces produits ont souvent une meilleure miscibilité aux gazoles qu'à l'essence. La présence d'une étincelle d'allumage et le taux de compression élevé seront des éléments favorables à leur combustion. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne avec injection du combustible liquide dans les cylindres vers la fin du temps de compression de l'air, caractérisé en ce que son taux de compression volumétrique est compris entre environ 13 et 17, en ce que le combustible liquide comprend des portions légères volatiles et des portions ou fractions lourdes et en ce que 11 allumage du mélange d'air et de combustible est provoqué par étincelle électrique. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce Que le combustible est un mélange d'essence pour moteurs à explosion et de gazole pour moteurs Diesel. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, utilisé dans des climats favorables où l'allumage par étincelle est remplacé par les dispositiss habituels des moteurs Disel classiques ou polycarburants.