Brevet FR2566463A1 — publié le 19851227

La présente invention concerne les moteurs à combustion interne et a notamment pour objet un système d'alimentation en combustible lourd des moteurs à combustion interne. La présente invention peut être utilisée avec les moteurs à combustion interne, lents et rapides, dans lesquels l'allumage se fait par compression et qui sont utilisés par exemple à bord des navires et dans des installations fixes La présente invention peut être également appliquée avec des chaudières branlant des combustibles lourds à viscosité élevée. A l'heure actuelle, le manque de combustible pour moteurs diesel se fait de plus en plus sentir et oblige les consommateurs à utiliser des combustibles lourds de qualité inférieure dans les moteurs marins lents et rapides. Cela nuit à lléconomie et à la sécurité des moteurs diesel à cause de lUaugmentation de la durée des processus de formation du mélange air combustible et de sa combustion. Pour améliorer les processus de formation dudit mélange et de sa combustion, le combustible lourd est soumis à un traitement thermique. On connaît un système d'alimentation en combustible lourd d'un moteur diesel (cf. brevet de la Grande Bretagne nO 1524157) qui comprend une source de combustible reliée par une pompe d'alimentation à un dispositif de préchauffage, portant la température du combustible a 90-1000C grâce à la chaleur des gaz brulés,qui à son tour communique avec la pompe d'injection à haute pression. Le combustible est refoulé par la pompe à haute pression dans une chambre de réaction constituée par un tuyau à haute pression alimentant l'injecteur d'un cylindre moteur. Le tuyau est muni d'un réchauffeur électrique, équipe d'un régulateur de température, servant à assurer le craquage du combustible lourd d'alimentation. Un refroidisseur est monté sur le tuyau en amont de l'injecteur. Il est connu que dans les construction réelles des moteurs diesel la quantité de combustible contenue dans ce tuyau à haute pression ne dépasse pas généralement celle injectée dans le cylindre pendant 3-4 cycles. Donc, le temps de séjour du combustible dans le tuyau à haute pression, c'est-à-dire le temps de craquage du combustible, ne dépasse pas non plus la durée de 3 à 4 cycles d1in- section. Ainsi, le temps de craquage ne dure que de 1,6 à 0,5 s pour des fréquences de rotation du vilebrequin comprises entre 5 et 17 révolutions par seconde. Comme il ressort des études expérimentales, pour réaliser le craquage du combustible lourd pendant ce laps de temps donné, il faut porter le combustible à une tempéra rature au moins égale à 5000ex Pour porter le combustible à la température indiquée et compte tenu de la différence des températures entre les parois du tuyau et le combustible, il faut amener au tuyau à haute pression une quantité considérable de chaleur qui doit être ensuite enlevée par le refroidisseur afin d'assurer un fonctionnement correct de lQinjecteurO Ainsi, le montage du réchauffeur éPectriquesur le tuyau à haute pression complique sensiblement le système d'alimentation en combustible et nuit à la fiabilité et à la sécurité de son fonctionnement du fait que la tempéra- ture du tuyau à haute pression est assez élevée. Des difficultés supplémentaires apparaissent par suite de la nécessité d'assurer le fonctionnement fiable de la pompe d'injection à haute pression et de l'injecteur, ce qui impose d'assurer leur isolement thermique par rapport au tuyau à haute pression. Il faut aussi signaler que dans certains cas de construction du système d'alimentation en combustible lourd, il peut se produire un raté d'amenée du combustible dans le tuyau à haute pression puis dans le cylindre moteur par suite de la formation de poches de vapeur lors du craquage du combustible ce qui aboutit à des défauts d'allumage dans les cylindres moteurs et au fonctionnement instable du moteur diesel. Ainsi, ce système connu d'alimentation en combustible lourd des moteurs diesel n'a pas trouvé une targe application à cause de l'utilisation inefficace de la chaleur amenée au tuyau à haute pression en vue d'assurer le craquage du combustible lourd, ce qui est notamment dû aux pertes irrécupérables de chaleur dans le refroidisseur, à cause des particularités constructives du chauffage à haute tempéra- ture du tuyau et de son refroidissement ainsi qu9à cause d'une faible fiabilité de fonctionnement de l'appareillage d'alimentation en combustible On s'est donc proporé de créer un système dsalimenta- tion en combustible lourd d'un moteur à combustion interne dans lequel le chauffage du combustible lourd permettrait d'augmenter l'économie et la sécurité de fonctionnement du moteur en obtenant un combustible consommé dans ledit moteur de viscosité plus faible que le combustible lourd initial et dont a été élargi l'intervalle entre les températures d'ébulition des composés respectivement les plus volatilesetles moins volatils' c'est-à-dire en langage industriel, la gamme de température de distillation, la "coupe", de la fraction pétrolière comprenant le combustible lourd initial. Selon l'invention dans le système d'alimentation en combustible lourd d'un moteur à combustion interne comprenant: une chambre de réaction, ou a lieu le craquage du combustible lourd avec la formation d'un mélange vapeur-liquide, munie d'un réchauffeur de combustible controlé par un régulateur de température du dombustible; un refroidisseur des produits du craquage; et une pompe à haute pression alimentant le moteur, on a introduit, entre la chambre de réaction et le refroidisseur, un récupérateur, dont une première entrée communique avec la canalisation d'alimentation en combustible froid et dont une première sortie, en suivant la canalisation de combustible réchauffée, communique avec la chambre de réaction qui est reliée en suivant la canalisation de mélange vapeur-liquide de combustible, à une deuxième entrée du récupérateur; dont une deuxième sortie est reliée, en suivant la canalisation de mélange vapeurliquide de combustible, à un dispositif0 servant à séparer la phase de vapeur du combustible de la phase liquide, un refroidisseur assurant la condensation de la phase vapeur des produits de craquage en une phase liquide, ledit dispositif étant relie;par une sortie de phase liquide du combustible à la pompe à haute pression d'alimentation du cylindre moteur, et, par une autre sortie de phase liquide du combustible à la fois à ladite pompe à haute pression et à une pompe de recirculation débouchant dans la canalisation de combustible froid en amont du récupérateur. Ce mode de réalisation du système d'alimentation en combustible lourd d'un moteur à combustion interne augmente l'économie et la fiabilité de fonctionnement du moteur grâce, par rapport au combustible lourd initial dlune part, à la diminution de la viscosité du combustible consommé dans le moteur, d'autre part,à l'élargissement de l'intervalle entre les températures d'ébulîtion des composés respectivement les plus volatils et les moins volatiles de la fraction pétrolière composant le combustible injecté dans le moteur. On l'obtient grâce à la diminution de la température de vaporisation du combustible injecté dans le cylindre. Cette baisse de la température de vaporisation du combustible résulte du mélange des fractions légères, condensées, de combustible obtenues lors du craquage du combustible dans la chambre de réaction avec le combustible traité thermiquement avant son injection dans un cylindre du moteur. Le système revendiqué d'alimentation en combustible lourd est caractérisé par une économie élevée grâce à la récupération de chaleur qui est utilisée pour réchauffer le combustible froid avant son introduction dans la chambre de réaction. En équipant le système d'un dispositif, pour la séparation de la phase vapeur et de la phase liquide du combustible dans lequel est monté un refroidisseur, on assure la condensation des fractions légères de combustible obtenues pendant le craquage du combustible initial qui sont mélangées avec le combustible traité thermiquement avant l'injection dans le cylindre moteur. De plus, le système décrit d'alimentation en combustible lourd d'un moteur a une fiabilité élevée parce que la pompe de recirculation et la pompe à haute pression fonctionnent à des températures modérées de l'ordre de 80 à 1100C. Le système d'alimentation en combustible lourd, conforme à l'invention, monté sur un moteur diesel de 250 ch de puissance ayant une pression moyenne efficace de 21 MPar une fréquence de rotation de 10 tours par seconde et brûlant du mazout d'une viscosité de 165 cSt à 500C, a permis de diminuer la température du début de vaporisation du mazout jusqu'à 1100C environ et de réduire la viscosité jusqu'à 33 cSt a 500C ce qui a abouti à une diminution d'environ 6 g/ch/h. de la consommatién du moteur diesel et à un abaissement de la température des gaz brûlés de 5300C à 4900C. L'invention sera mieux comprise et d'autres butsg détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lecture de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec référence au dessin annexé, qui schématise le système d'alimentation en combustible lourd d'un moteur diesel, conforme à l'invention. Le système d'alimentation en combustible lourd, par exemple en mazout d'une viscosité de 165 cSt à 5O0C, d'un moteur diesel comprend, selon l'invention, un réservoir 1 de combustible froid relié par une pompe d'alimentation 2 et une canalisation 3 de combustible froid à la première entrée 21 du récupérateur échangeur de chaleur 4. Une première sortie 22 du récupérateur 4 communique,en suivant la canalisation 5 de mazout réchauffé, avec une chambre de réaction 6 ot se déroule le craquage du mazout et ou se forme un mélange vapeur-liquide. La chambre 6 est équipée d'un 3 réchauffeur électrique 7 commandé par un régulateur de température 8, et communique,en suivant la canalisation 9 de sortie du. mélange vapeur-liquide,avec une deuxième entrée 23 du récupérateur 4.Une deuxième sortie 24 de ce récupérateur communiqueen suivant la canalisation 10 de mélange-vapeur-liquide,avec un dispositif 11 servant notamment à régler certaines caractéristiques physiques (température, viscosité...) du combustible avant sa reprise par. la pompe à injection du combustible. Le dispositif 1 1 sépare la phase vapeur de la phase liquide du combustible et comporte un refroidisseur 12 destiné à condenser la phase vapeur du combustible, qui vient d'être sQparee, en une phase liquide.Depuis une première sortie 25 du dispositif 11, du mazout liquide est refoulé par la canalisation 13, à travers le filtre 14, vers une pompe 15 à haute pression d'alimentation du moteur et depuis une deuxième sortie 26 du dispositif li du mazout liquide est dirigé d'une partfpar la canalisation 16 vers une pompe de recirculation 17 et, d'autre part par la canalisation 18, à travers le filtre 14 vers la pompe 15 à haute pression. La pompe de recirculation 17 débite par la canalisation 19 dans la canalisation 3 de mazout relativement froid en aval de la pompe 2.. Le système, selon l'invention, d'alimentation en mazout d'un moteur diesel fonctionne de la manière suivante Le mazout contenu dans le réservoir 1 de combustible, réchauffé préalablement jusqu'à une température de 50 à 600C environ par des moyens non représentés, est aspiré par la pompe 2 et envoyé par la canalisation 3 dans le récupérateur 4 où il est porté à une température voisine ae 250 à 3000C par échange de la chaleur latente des produits de craquage du mazout. Depuis le récupérateur 4, le mazout chauffé est amené par la canalisation 5 dans la chambre de réaction 6 équipée du réchauffeur électrique T; dans cette chambre 6, le mazout est porté à une température voisine de 420-4500C à laquelle se déroule le craquage du mazout. Le régulateur de température 8 maintient le régime thermique nécessaire pour le craquage du mazout. La chambre de réaction 6 assure, grâce à sa haute température la vaporisation des fractions légères du mazout. Après sa sortie de la chambre de réaction 6 le mélange vapeur-liquide de combustible, ayant une température voisine de 420 à 4500C, est dirigé par la canalisation 9 vers le récupérateur 4 où il cède une partie de sa chaleur latente au mazout relativement froid arrivant par la canalisation 30 Dans le récupérateur commence la condensation partielle des vapeurs de fractions légères du mazout.-Depuis le récupérat 4 le mélange vapeur-liquide-de combustible, ayant une température d'environ 180-2000C, est transmis par la canalisation 10 dans le dispositif 11 où la.phase vapeur de combustible est séparée de la phase liquide.Le dispositif 11 est muni d'un refroidisseur 12 destiné d'une part,.à condenser complètement les vapeurs des fractions légères du mazout et d'autre part1 à refroidir le mazout liquide jusqu'à des températures d'environ 90à 1100C qui correspondent à la valeur requise de la viscosité du mazout traité thermiquement en vue de son injection dans uncylindre du moteur. Duvmazout liquide refroidi est transmispar la canalisation 18, à travers le filtre 14, vers la pompe 15 à haute pression d'injection. Les fractions légères condensées, mélangées à la phase liquide du mazout traité thermiquement, sont transmises par la canalisation 13, à la température de 90 à 1100C environ, à travers le filtre 14, vers la pompe 15 à haute pression pour leur injection dans le moteur. Pour éviter l'accumulation des dépôts qui peuvent se former dans la chambre de réaction 6 pendant le craquage du combustible lourd on a doté le système d'une pompe de recirculation 17 qui-permet d'assurer la vitesse voulue de l'écoulement du mazout dans la chambre de réaction 6 et le récupérateur 4. La recirculation du mazout se fait par les canalisations 16, 19, 3, 5p 9, i0. Ainsi, l'emploi du système selon l'invention d'alimentation en combustible lourd d'un moteur à combustion interne permet d'obtenir: - grâce à l'abaissement de la température du début de vaporisation du combustible lourd initial et à la réduction de sa viscosité, l'amélioration de la formation du mélange air ombustibles et de combustion des combustibles lourds approvisionnés ce qui se traduit au total par une amélioration de l'économie du moteur; - grâce à la récupération de la chaleur des produits ayant subi le craquage, l'utilisation plus efficace de la chaleur, fournie au système, qui a servi pour le craquage du combustible dans la chambre de réaction; ; - grâce à l'introduction du refroidisseur permettant d'abaisser la température des produits de craquage jusqu'à 90-1100C environ, l'élévation de la fiabilité de fonctionnement de la pompe à haute pression et de l'injecteur du moteur; - la réalisation d'un système central d'alimentation en combustibles lourds pour plusieurs moteurs diesel, même de différentes catégories, par exemple les moteurs principau-x et auxiliaires d6un navire. Bien entendu, l'invention n' est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection revendiquée. REVENDICATION Système d'alimentationec un combustible lourd d'un moteur à combustion interne comprenant: - une chambre de réaction (6) assurant le craquage du combustible lourd et la formation d'un mélange de liquide et de vapeur combustibles; - un réchauffeur (7) du combustible équipant la chambre (6) et dont l'action est commandée par un régulateur de température 8; - un refroidisseur (12) des produits sortant de la chambre (6); et - une pompe (15) à haute pression d'alimentation du moteur; système caractérisé en ce que0 - entre la chambre (6) et le refroidisseur (12), est intercalé un récupérateur (4) d'une part, recevant à une première entrée (21) du combustible froid et livrant à une première sortie (22) du combustible réchauffé à la chambre (6) où il est craqué, d'autre part, recevant à une deuxième entrée (23) le mélange de liquide et de vapeur combustibles, venu de la chambre (6), qui, après échange de chaleur latente avec le combustible froid entre en (21), ressort, refroidi, par une deuxième sortie (24) du récupérateur ( 4); ; - en aval du récupérateur (4) est monté un dispositif (11), équipédu refroidisseur (12), dispositif qui sépare de la partie liqiude la partie vapeur du combustible, qui est condensée, et qui d'une part, par une sortie (26) et une conduite (13) alimente la pompe (15) d'injection du combustible dans le (ou les) cylindre (s) moteur (s) et d'autre part,par une sortie (25) alimente également la pompe (15) mais aussi fournit une certaine recirculation du combustible à l'entrée (24) du récupérateur (4) par l'intermédiaire d'une pompe (17).