Brevet FR2619415A1 — publié le 19890217

L'invention concerne un procédé pour faire fonctionner un moteur diesel en L'alimentant avec un mélange air comburant/gaz combustibLe, ainsi qu'un moteur pour La mise en oeuvre du procédé. iL faut tout d'abord rappeLer que Les caractéristiques d'auto-infLammation du gaz natureL (qui est. en général le gaz combustible employé sur de tels moteurs), ne lui permettent pas d'être utilisé directement dans les moteurs diesel classiques à injecteurs de gazole. La combustion air comburant/gaz naturel doit être déclenchée par un dispositif d'allumage annexe. C'est notamment ce qui expLique pourquoi,jusqu'å présent, tes essais menés sur ces moteurs n'ont pas été concluants. Du fait de cette auto-inflammation du gaz, on était en effet, en pratique, conduit sur tous ces moteurs à diminuer le taux de compression, par rapport à celui initial du moteur diesel, de façon à éviter, dans la mesure du possible, les irréguLarités de fonctionnement, Les instabiLités qui survenaient régulièrement Lors de la phase de combustion-détente du mélange, et les cliquetis et autres instabilités mécaniques qui apparaissaient, nuisant particulièrement à la tenue mécanique du moteur. En généraL, la chute du taux de compréssion était particuLièrement sensible. Pour un taux de compression initial de moteur diesel classique alimenté en gazole/air de 18 à 23 bars, c'est-å-dire de 18 x 1û5 à 23 x 105 Pa, on arrivait régulièrement à des taux de compression de 8 à 9 bars (8 x 1û5 à 9 x 1û5 Pa) pour un "même" moteur alimenté en mélange gaz naturel/ air, ce qui diminuait d'autant le rendement et la puissance disponi-ble. En pratique, pour obtenir cette réduction du taux de compression, on proposait habitueLLement d'augmenter le volume de la chambre de compression/combustion du moteur. Il fallait donc modifier La cuLasse. L'inven-tion permet d'éviter tous ces inconvénients. ELLe propose à cet effet un procédé dans lequel, on va enflammer le mélange dans La chambre de combustion/compression du moteur au moyen d'étinceLles d'allumage en prenant soin de maintenir, au moment de l'allumage et en dehors de La zone de jaiLLissement des étincelLes à partir de laquelle va se développer Le front de fLammes, Le volume de cette meme chambre a une température inférieure à la températuredautoinflammati.on du méLange, c'est-å-dire à La température à laquelle Le melange s'enflammerait spontanément compte teflu des conditions de pression régnant dans La chambre. De cette façon, on va éliminer tous Les problèmes chroniques de diminution du rapport volumétrique (ou taux de compression), de cLiquetis, de "hoquetements" du moteur et d'instabiLité de combustion. En ce qui concerne les moyens qui vont permettre de mettre en oeuvre ce procédé sur un moteur diesel comportant, comme connu en soi, un bLoc cylindre avec au moins un cylindre à l'intérieur duquel un piston peut se mouvoir entre deux positions extrémes, définissant ainsi La cyLindrée du moteur, Ledit bloc cylindre étant fermé par au moins une culasse comportant une chambre de compression/combustion interne de volume déterminé qui est alimenté en air comburant/fluide combustible et qui communique avec Ledit cylindre, ils sont tels que le moteur comprend - au moins une bougie d'allumage montée de sorte à communiquer avec le volume de la chambre de compression/combustion, ladite bougie étant du type froide à électrodes d'allumage situées en retrait vers l'intérieur du corps de la bougie, - des moyens d'alimentation en énergie électrique sous haute tension adaptée et de commande cyclique de cette même bougie, ce moteur ce caractérisant en outre en ce que sa cylindrée et son volume de chambre de compression/combustion sont sensiblement les mêmes que ceux du moteur diesel initial alimenté de façon normale en gazole et en air comburant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaStront plus clairement de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe transversale de la partie bloc cylindre-culasse du moteur de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique partielle d'un système d'allumage possible de ce même moteur ; et - la figure 3 est un schéma électrique simplifié du circuit permettant de faire monter la pression du liquide lubrifiant dans le moteur avant de déclencher le premier allumage, au cours du démarrage, Si l'on se reporte tout d'abord à la figure 1, on voit illustré schématiquement la partie qui intéresse directement l'invention d'un moteur du type diesel 1, en soi connu, comprenant un bloc cylindre 2 dont on voit ici l'un des cylindres 3 à l'intérieur duquel un piston 4 peut se déplacer dans un mouvement de translation réciproque sensiblement dans l'axe 3a du cylindre, entre deux positions extrêmes, à savoir un point mort haut PMH et un point mort bas PMB.En partie supérieure, le bloc cylindre 2 est fermé par une culasse 5 à l'intérieur de laquelle est ménagée une chambre 6 de compression/combustion d'un volume déterminé et qui s'ouvre sur le volume intérieur du cylindre 3. La particularité de ce moteur diesel est qu'au lieu d'être alimenté, de façon normale et classique, en air et en gazole, il est ici alimenté en air comburant et en gaz combustible, tel que du gaz naturel, par une conduite d'admission 7. Comme on le voit l'admission du mélange dans la chambre de compression/combustion 6 est réglée par le mouvement cyclique commandé à l'ouverture et à la fermeture d'une soupape 8. Le mélange dans des proportions adaptées connues de l'air comburant et du gaz combustible a ici été obtenu en amont de la chambre 6, au niveau d'un détendeur-mélangeur relié d'une part à la réserve de gaz combustible" et d'autre part, à L'admission d'air et comprenant, comme connu en soi, une électrovanne de distribution du débit de gaz. Un tel détendeur/mélangeur étant connu dans la technique et ne constituant pas L'objet de l'invention, ne sera pas décrit plus en détail. Il n'a d'ailleurs pas été représenté. Comme mentionné au préambule, on a déjà proposé dans Le passé de tels moteurs diésel alimentés en mélange air/gaz natureL. Toutefois, ces moteurs diesel "transformés" nécessitaient que l'on modifie Le rapport volumétrique initial du moteur. Plus précisément, on était conduit, du fait du caractère très explosif du gaz naturel d'alimentation, à augmenter Le volume de la chambre de compression/combustion 6 du moteur de sorte à diminuer ce même rapport volumétrique (ou taux de compression) et ainsi limiter, dans toute la mesure du possible, les problèmes d'instabilité de fonctionnement. En pratique, ceci était obtenu en modifiant la culasse, ce qui, comme on le comprend, était particulièrement onéreux. Au contraire, dans l'invention, et tel qu'il ressort de la figure 1, on maintient le taux de compression du moteur diesel "transformé" sensiblement identique à celui que présententait ce même moteur diesel à l'origine, lorsqu'il était alimenté en gazole et en air. En d'autres termes, on ne rectifie par la culasse. On ne procède pas non plus à un réalésage du (des) cylindre(s). Le volume de la chambre de compression/combustion 6 et la cylindrée du moteur (c'est-à- dire le volume engendré par le déplacement axial du piston 4 entre le point mort haut PMH et le point mort bas PMB, multiplié par le nombre de cylindres) reste pratiquement identique à ceux d'origine. La modification essentielle qui va permettre en pratique de faire fonctionner avec une telle alimentation ce moteur diesel consiste en la prévision d'une bougie d'allumage 10, par cylindre. En particulier, cette bougie 10 pourrait être montée en lieu et place de chaque injecteur et porteinjecteur (non représentés) de sorte à venir se loger dans leur orifice de réception 9 et ainsi déboucher dans la chambre de compression/combustion 6, par ses électrodes d'allumage 1osa. De façon classique, la bougie 10 est reliée par sa tête 10b à un câble d'alimentation 11 sous haute tension adaptée connecté à un allumeur 12 qui comprend, comme connu en soii un distributeur 13 intégrant un rupteur 14 et un condensateur 15, et une bobine 16 reliée, par sa borne 16a, à un premier interrupteur 30 lui même relié à un second interrupteur 18 fermé au moyen de la clé 19 de contact, ce second interrupteur 18 étant connecté à une borne d'entrée (+) de la batterie 17 laquelle est refermée sur la masse. On reviendra utérieurement, en référence à la figure 3, sur l'utilité de l'interrupteur 30 et sur les organes qui agissent sur lui, lesquels n'ont pas ici été représentés. Par son autre borne 16b, la bobine 16 est reliée au distributeur 13, tandis que par sa tête 16c, elle est connectée à la tête 12a de l'allumeur (voir figure 2). Un système d'allumage transistorisé, lui aussi bien connu et dont le montage ne présente aucune difficulté, aurait pu également être utilisé à la place de l'allumeur 12 de type électromécanique que l'on vient de décrire. On notera que sur cette figure 2, la partie du circuit électrique, en soi connue, qui intègre le démarreur n'a pas été représentée. En pratique, le montage de chaque bougie 10 sur la culasse 5 nécessitera probablement un taraudage de la paroi intérieure de l'orifice 9 de la culasse au diamètre de la bougie. Eventuellement et si nécessaire, chaque bougie pourra également être fixée à la culasse par l'intermédiaire d'une bride (non représentée) en acier, taraudée et filetée de sorte à recevoir la bougie au niveau de son taraudage et à venir, d'autre part, se visser sur Le taraudage de l'orifice 9 de cette même culasse. De preférence, on prévoira dans ce cas un joint d'étanchéité de façon à éviter toute fuite de gaz le long des différents filets. Selon l'invention, Les bougies utilisées seront du type bougie froide à électrodes rentrées vers L'intérieur du corps de La bougie, de sorte à éviter toute partie en saillie dirigée vers la chambre 6 et pouvant créer des "points chauds" susceptibles de provoquer des instabilités de combustion au cours de l'inflammation du mélange et notamment son autoinflammation. On notera qu'une bougie particulièrement appropriée est la bougie "CHAMPION" (marque déposée) connue sous la référence BN 57 R. Comme il ressort de La figure 1, ainsi disposée sur La culasse à La place de l'injecteur, La bougie 10 présentera un axe 20 de montage dirige obliquement par rapport à L'axe 3a du cylindre 3 et viendra, de préférence et du côté de ses électrodes, légèrement en retrait ou juste en affleurement de la paroi contiguë de la chambre de compression/combustion 6. De cette façon, on pourra enflammer le mélange air comburant/gaz combustible convenablement dose et qui sera admis dans la chambre 6 lors de l'ouverture cyclique commandée de la soupape 8, au moyen des étincelles qui jailliront, dans chaque cylindre, entre les électrodes de la bougie sous l'impulsion de l'allumeur 12. En outre, grâce au type de bougie retenu, on évitera effectivement la création de points chauds, c'est-à-dire que l'on pourra maintenir, à l'aLLumage et en dehors de la zone de jaillissement des étincelles à partir de laquelle se développera le front de flammes, le volume restant de la chambre 6 à une température inférieure à la température d'autoinflammation du mélange gazeux. Le moteur diesel de l'invention ne fonctionnant plus au gazole, sa pompe à injection est devenue inutile. A sa place, on pourra prévoir de monter L'allumeur 12. Une pièce d'adaptation 21 en métal, par exemple en aluminium, dans laquelle aura été ménagé un orifice 23 traversant de sorte à permettre le passage de l'arbre 22 de commande de l'allumeur, assurera la fixation de ce dernier sur le bâti moteur 24. Des roulements par exemple à billes (non représentés) montés dans la pièce 21 autour de l'arbre d'allumeur 22, éviteront de perturber son mouvement de rotation. En outre, une bride 25 correctement positionnée, de liaison entre l'allumeur 12 et la pièce d'adaptation 21 facilitera le calage ou le réglage de l'allumeur. A l'intérieur du bâti moteur 24, L'arbre d'allumeur 22 viendra en prise sur la partie extrême la plus appropriée du vilebrequin (non représenté) par l'intermédiaire d'une roue à engrenages ayant un rapport 1/2, de sorte que l'allumeur 12 tourne alors deux fois moins vite que Le vilebrequin. Un arbre de liaison direct (non représenté) entre L'extrémité de L'arbre d'allumeur 22 et la roue d'engrenages précitée en prise sur le vilebrequin pourra éventuellement être nécessaire, si la longeur de l'arbre 22 n'est pas suffisante. Comme tout moteur diesel, le moteur de l'invention comprend un circuit de lubrification (non représenté) en soi connu, dans lequel circule un fluide lubrifiant sous pression, tel que de l'huile, pour le graissage et pour un refroidissement complémentaire des organes concernés du moteur (piston(s), cylindre(s), paliers de vilebrequin, arbre de commande de la pompe à huile...). De façon classique, la pression du fluide lubrifiant utilisé est, au cours du fonctionnement du moteur, fournie par une pompe -du type à huile habituellement utilisée sur ce type de moteur. Compte tenu du danger pour La tenue mécanique du moteur que peut représenter Le frottement sec d'une pièce mobile du moteur sur une autre fixe, on a prévu dans l'invention, Lors du processus de démarrage du moteur, de faire monter la pression du liquide lubrifiant avant d'admettre pour La première fois le mélange inflammable dans Le(s) cylindre(s) et donc préalablement à tout allumage. A cet effet, on va monter, en plus de La pompe à huile habituelle, une pompe électrique a priori de plus faible puissance (ou à la limite de meme puissance) que la première pompe et qui va fonctionner jusqu' à ce que celle-ci se mette en route, entraînée par le vilebrequin au fur et à mesure des allumages, ou encore en cas de chute de pression de cette pompe, pour quelques causes que ce soient. Figure 3, on a représenté le circuit électrique de fonctionnement de ce système à deux pompes. Considérons que le moteur est à l'arrêt. La pression d'huile est minimum et la pompe à huile 26 en prise sur le vilebrequin ne fonctionne pas. Dès que le contact au niveau de l'interrupteur 18 est fermé par la manoeuvre de la clé de contact 19, et sous l'impulsion de la batterie 17, La pompe électrique 27 reliée d'un côté à La Ligne de masse 28 et de l'autre à L'interrupteur 18 par L'intermédiaire d'un interrupteur commandé 29, aLors fermé, se met en route et fait monter La pression d'huile dans le moteur, assurant ainsi la Lubrification des organes concernés, alors que le premier allumage du mélange n'a pas encore été déclenché. Dés qu'elle est sous tension, la pompe électrique 27 entraîne La fermeture d'un autre interrupteur 30 relié d'un côté à l'interrupteur 18 et de L'autre à un quatrième interrupteur 31 Lui-même en liaison avec une borne d'entrée du démarreur 32 du moteur relié par son autre borne à la ligne de masse 28. Comme connu en soi, l'interrupteur 31 est sous la commande d'un contacteur classique (non représenté) dont la fonction est d'autoriser ou d'interrompre aux moments voulus la circulation du courant d'excitation vers Le démarreur. Pour compléter le circuit, il faut également préciser qu'entre, d'une part, les deux interrupteurs 30 et 31 et, d'autre part, la ligne de masse sont branchées en parallèle l'électrovanne 33 d'alimentation en gaz naturel et la bobine 16 d'allumage. Les allumages du mélange se succédant, le vilebrequin a alors suffisamment entrainé la pompe à huile 26 qui, la pression d'huile augmentant, vient commander, par une action à double effets, l'ouverture de L'interrupteur 29 et le maintien en position fermée de l'interrupteur 30. Comme on le comprend, l'ouverture de l'interrupteur 29 provoque l'arrêt de la pompe électrique 27 qui ne se remettra à fonctionner qu'en cas de chute de pression d'huile, c'est-ê-dire si la pression de la pompe 26 n'est plus suffisante pour commander l'ouverture de l'interrupteur 29 (et donc la fermeture de l'interrupteur 30). Enfin, on notera qu'il ressort de ce schéma électrique qu'à l'arrêt du moteur, lorsque l'on coupe le contact en 18, on arrête en pratique simultanément l'alimentation en gaz du moteur et l'alimentation en énergie électrique des bougies, évitant ainsi tout risque d'explosions intempestives au niveau de la chambre 6 de compression/combustion qui pourraient être provoquées par des vapeurs d'huile du moteur. REVEND: CATIONS 1. Procedé pour faire fonctionner un moteur diesel en l'alimentant avec un mélange air comburant/gaz combustible, tel que du gaz naturel, que l'on enflamme dans la chambre (6) de compression/combustion du moteur, caractérisé en ce qu'on enflamme ledit mélange au moyen d'étincelles d'allumage en prenant soin de maintenir, au moment de l'allumage et en dehors de la zone de jaillissement des étincelles à partir de laquelle va se développer le front de flammes, Le volume de ladite chambre (6) de compression/combustion à une température inférieure à la température d'autoinflammation du mélange, ce qui permet de maintenir sensiblement le taux de compression normal du moteur diesel. 2. Moteur à combustion interne du type moteur diesel alimenté en mélange air comburant/gaz combustible, tel que du gaz naturel, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant un bloc cylindre (2) avec au moins un cylindre (3) à l'intérieur duquel un piston (4) peut se mouvoir entre deux positions extrèmes (PMB, PMH) définissant ainsi la cylindrée du moteur, ledit bloc cylindre (3) étant fermé par au moins une culasse (5) comportant une chambre (6) de compression/combustion interne d'un volume déterminé, qui est alimentée en air comburant et en gaz combustible et qui communique avec ledit cylindre (3) caractérisé en ce qu'il comprend - au moins une bougie (10) qui communique au niveau de ses électrodes (10a) avec ladite chambre (6) de compression/combustion, ladite bougie étant du type bougie froide à électrodes d'allumage situées en retrait vers l'intérieur du corps de la bougie, - des moyens (11, 12, 16, 17) d'alimentation en énergie électrique sous haute tension adaptée de ladite bougie ledit moteur étant en outre caractérisé en ce que sa cylindrée et son volume de chambre de compression/combustion (6) sont sensiblement les mêmes que ceux que présentent ce meme moteur lorsqu'il est alimenté, de façon normale, en gazole et en air comburant. 3. Moteur selon la revendication 2 du type comprenant un circuit de lubrification dans lequel circule un fluide lubrifiant sous pression, tel que de l'huile, destiné notamment au graissage des organes concernés du moteur, la pression dudit fluide lubrifiant étant fournie par une pompe (26) du type pompe à huile, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (27,29,30) pour assurer audit circuit, lors du démarrage du moteur, une pression suffisante pour une lubrification desdits organes concernés de ce même moteur et ce, préalablement à tout allumage.