Brevet FR2688031A1 — publié le 19930903

La présente invention concerne les moteurs à auto-allumage, à injection directe du carburant dans la chambre de combustion, plus particulièrement. Dans les moteurs à auto-allumage en usage actuellement, c'est l'échauffement, résultant d'une forte compression de l'air frais admis, qui est responsable de l'allumage du carburant (du gazole généralement) lorsque celui-ci est injecté, au moment où le piston atteint le point mort haut, en fin du temps de compression. Pour les moteurs de camion ou d'automobile à injection directe, les taux de compression volumétrique, pour les moteurs non suralimentés, ne sont pas inférieurs à 15 (et le plus souvent supérieurs), leur pompes d'injection sont nécessairement à très haute compression, et en dépit de cela, ces moteurs émettent généralement un peu plus de particules imbrulées dans les gaz d'échappement que les "diesels" à chambre de combustion auxiliaire, à turbulences.Les taux de compression volumétrique de ces derniers avoisinent 21 pour autoriser les démarrages à froid, malgré l'utilisation de bougies de préchauffage. Dans le but de simplifier le système d'injection de carburant, ainsi que la forme de la culasse, tout en ayant une bonne combustion, des constructeurs ont produit autrefois des moteurs, dits semi-diesels, dans lesquels une partie de la culasse n'était pas refroidie par circulation d'eau, et qui, de ce fait, était portée à une température pouvant atteindre 700OC à 800OC en cours de fonctionnement. Le jet de gazole produit par l'injecteur (et une pompe basse pression) était dirigé vers la partie non refroidie de la culasse, pour y être vaporisé et enflammé très rapidement. Le taux de compression volumétrique de ces moteurs "semi-diesels" était sensiblement abaissé pour tenir compte de la fragilisation de la culasse portée à haute température.Ces moteurs semidiesels étaient, dans la plupart des cas, des moteurs deux temps avec des pistons et embiellages relativement légers. En 1974, un américain, a imaginé un moteur à auto-allumage (brevet U.S. 3 945 352) dans lequel le carburant (pas obligatoirement du gazole) était injecté sous forme de vapeur surchauffée et à haute pression à une température très supérieure à la température d'inflammabilité du carburant considéré (point d'inflammabilité ou point d'éclair, ou flash point, en anglais), ce qui permet, en théorie, d'obtenir un excellent auto-allumage (même si, théoriquement, on construisait un moteur dont le taux de compression était proche de 1) avec, en plus, l'avantage d'une température de combustion accrue pour une même quantité de carburant, car, à l'énergie chimique du carburant liquide considéré, il faut ajouter la quantité de chaleur correspondant au produit de la masse injectée, multipliée par la chaleur massique du carburant, puis par la différence de température ajoutée, quantité de chaleur à laquelle il faut encore ajouter la chaleur latente de vaporisation du carburant considéré. Cette vapeur surchauffée était obtenue grâce à une mini-chaudière externe, combinée avec un échangeur de température : gaz d'échappement / carburant, intégré. La chaudière était chargée de vaporiser et de surchauffer (sous haute pression) le carburant, comme on faisait autrefois dans les machines à vapeur. Ce nouveau type de moteur est doté d'un système d'allumage électrique à étincelle classique et d'un carburateur extérieur pour les démarrages à froid, car la montée à haute température et à haute pression de la mini-chaudière externe demande une durée importante. Les problèmes liés à l'injection de vapeur surchauffée à très haute pression avec des débits variables et précis ont peut-être entravé le développement de ce nouveau type de moteur ? J'ai moi-même déposé un brevet en décembre 1981, enregistré sous le numéro 2 517 741, dans lequel l'une des revendications concernait un dispositif d'isolation thermique de très bonne qualité de l'ensemble du bloc moteur, dont le but était de permettre des redémarrages avec le bloc moteur à une température très proche de sa température de fonctionnement en croisière, et cela plusieurs dizaines d'heures (voire plusieurs jours) après le dernier arrêt, même en période hivernale.En plus de l'amélioration des "redémarrages", un tel moteur, transformé en véritable accumulateur de chaleur, peut être utilisé pour fournir une quantité considérable de calories pouvant servir à chauffer l'habitacle d'un véhicule dès le démarrage assuré. Un autre but recherché, en maintenant le moteur chaud, non pas indéfiniment, mais pendant de longues périodes (ce qui rend statistiquement les redémarrages moteur complètement froid assez rares) est d'obtenir un auto-allumage encore acceptable avec un moteur doté d'un taux de compres-sion plus bas que sur les diesels à injection directe classiques, dans le but de diminuer les contraintes mécaniques et thermiques sur pistons et embiellage, ce qui permet de les concevoir plus légers.Ceci permet un gain de poids direct sur les pistons, mais permet également des vitesses de rotation accrues, donc la réalisation de moteurs plus brillants (rapport puissance sur masse accru). Les dispositifs présentés ci-après, objets de l'invention, sont destinés, principalement, à améliorer le démarrage à froid (et par temps très froid) des moteurs diesel, à améliorer la combustion du carburant dans les moteurs de ce type (à injection directe en particulier), car ces derniers ont généralement tendance à émettre davantage de fines particules de carbone non brûlées que les moteurs à injection indirecte à chambre à turbulences, auxiliaire. Les moteurs à injection directe exigent pour contrer cette tendance, de recourir à des pompes à injection à très hautes pressions, qui pulvérisent mieux le gazole, mais qui présentent un prix élevé. Ces dispositifs, selon l'invention, peuvent être utilisés pour simplement améliorer les moteurs à auto-allumage classiques (à injection indirecte ou directe à 4 temps ou à 2 temps), ou être mis à profit pour créer une catégorie véritablement nouvelle de moteurs à auto-allumage, plus brillants que leurs prédécesseurs, dans les domaines de la puissance, rapportée à leur masse, du rendement énergétique, de la diminution de l'émission de particules non brûlées dans les gaz d'échappement avec, en plus, la particularité de stocker de grandes quantités de chaleur durant de très longues périodes suivant leur arrêt, en baissant le taux de compression volumétrique jusqu'à des valeurs aussi basses que 10, avec un optimum dépendant de l'usage souhaité, pouvant se situer dans une gamme de lo à 15 (15 est une valeur de taux de compression proche de celles des moteurs à injection directe actuels).Dans le cas des moteurs suralimentés, le taux de compression volumétrique (dans la partie alternative) peut être encore légèrement abaissé. Le premier dispositif objet de l'invention consiste en une amélioration importante du système d'isolation thermique du bloc moteur (objet de mon brevet n" 2517 741, dispositif dans lequel l'ensemble du bloc moteur est contenu dans une enceinte isotherme de haute qualité). Cette amélioration consiste à utiliser des isolants thermiques résistant à des températures élevées, pour être disposés à proximité du collecteur d'échappement, de façon à protéger dans cette zone les matériaux d'isolation thermique de haute qualité de l'enceinte. Ces matériaux d'isolation thermique de haute qualité pourraient être, pour une part, constitués de super-isolants thermiques multi-couches, dérivés de ceux utilisés par l'industrie spatiale.Par ailleurs, pour augmenter la masse de matériaux, maintenus chauds, contenus dans l'enceinte isolante (la constante de temps de refroidissement du bloc moteur isolé est presque directement proportionnelle à la masse de matériaux contenue à l'intérieur de l'enceinte), on y inclura la boîte de vitesse, dotée d'un système de refroidissement spécifique (relié à un radiateur externe), si nécessaire, l'embrayage, la pompe d'injection, le filtre à carburant, l'alternateur, le démarreur. Le second dispositif objet de l'invention est un système qui, en particulier, combine le système de refroidissement de la culasse et un système de réchauffage du carburant, juste avant que celui-ci soit injecté. Dans ce système, le carburant joue donc le rôle de l'eau d'un système de refroidissement classique. C'est le carburant "froid" provenant du réservoir pour remplacer (dans les cavités de refroidissement de la culasse) le carburant consommé, qui absorbe la chaleur. Une telle combinaison bénéficie à la fois au système de refroidissement (qu'elle simplifie), et au rendement du moteur , en récupérant des calories qui, autrement, seraient perdues. Ce système de réchauffage du carburant sera, de préférence, pressurisé de façon à ce qu'aucune fraction des divers hydrocarbures constituant le carburant ne soit portée à ébullition.Dans le but d'assurer en toutes circonstances un refroidissement suffisant de la culasse, le débit du carburant circulant à l'intérieur de la culasse sera augmenté lorsque cela sera nécessaire, grâce à un circuit annexe qui part de la culasse, et y retourne, en passant par un refroidisseur (échangeur thermique) à l'extérieur de l'enceinte. Ce circuit annexe est, bien sûr, également pressurisé et muni d'une pompe pour y faire circuler le carburant à l'intérieur.L'objectif principal de ce système n'est pas la recherche de températures extrèmement élevées (c'est-à-dire supérieures à 200OC ou 473"K). Ce qui est recherché en priorité, c'est une amélioration de l'auto-allumage et de la combustion, ce qui permettrait, par exemple, la réalisation d'un moteur ayant un taux de compression volumétrique de seulement 12 et une vitesse de rotation proche de 5000 tr/min. pour un moteur d'automobile avec des pompes d'injection moyenne pression classiques (ou peu modifiées). L'énergie thermique ainsi ajoutée à l'énergie chimique potentielle du carburant apporte une amélioration du rendement, mais l'amélioration de la qualité de la combustion est plus importante.On peut progresser dans l'obtention d'une température d'injection élevée si cela ne crée pas des problèmes technologiques trop chers à solutionner pour la pompe d'injection moyenne pression, en réalisant un collecteur d'échappement à double parois, entre lesquelles on fera circuler le carburant déjà réchauffé dans les alvéoles contenues dans la culasse. Le système de collecteur à double parois peut être remplacé pour plus de solidité par une canalisation (dans l'épaisseur de la paroi du collecteur d'échappement) en forme de spirale avec les spires plus ou moins jointives (la forme interne de la paroi du collecteur pourrait être ainsi totalement lisse comme dans un collecteur classique). L'injection du carburant réchauffé pourra être effectuée par une pompe d'injection d'un type et d'une technologie proches de ceux des pompes d'injection classiques actuelles, mais il existe une autre solution pour injecter le carburant réchauffé, qui pourrait être meilleure sur les plans du coût de réalisation et de la fiabilité. Cette solution consiste à disposer en amont du système de réchauffage du carburant, une pompe très haute pression entraînée par le moteur lui-même (vitesses de rotation proportionnelles) avec un débit prévu pour être légèrement supérieur à ce qui est nécessaire pour obtenir la puissance maximum. Un régulateur de pression ajustera en permanence le débit à la valeur strictement nécessaire. Les injecteurs sont, dans ce système, remplacés par des soupapes semblables aux soupapes appelées "aiguilles" dans les anciens moteur diesels à injection par air comprimé.Les variations de puissance et de couple seront obtenues en pilotant la hauteur de levée de "l'aiguille" et sa durée d'ouverture à l'aide d'un microprocesseur. Dans les versions de moteurs à auto-allumage, où l'application des nouveaux systèmes décrits ci-dessus aura été mise à profit pour réaliser un moteur à taux de compression modéré (12, comme dans l'exemple d'application proposé ci-dessus), il sera nécessaire, malgré l'isolation thermique très poussée du bloc moteur (bloc associé à la boîte de vitesse, de préférence), et malgré le carburant porté à beaucoup plus de 1000C dans le système de réchauffage (au cours d'une période de fonctionnement précédente), de prévoir un système de préchauffage pour les démarrages après de longues périodes d'arrêt. n est nécessaire de considérer séparément la loi de refroidissement du bloc moteur dans son ensemble, et la loi de refroidissement du système de réchauffage du carburant décrit ci-dessus.En effet, juste après l'arrêt du moteur, ce système est à beaucoup plus haute température que le bloc, mais cette température élevée affecte une faible masse de matériaux qui, de plus, n'est pas isolée thermiquement du reste du bloc moteur. Le pré chauffage pourra être réalisé simplement par des bougies de préchauffage classiques dans les chambres de combustion, mais je propose de recourir à une puissante résistance électrique placée dans la tubulure d'admission d'air (le plus près possible des soupapes d'admission). Un tel système nécessitera certainement plus d'énergie électrique pour assurer un démarrage qu'avec des bougies classiques, mais il permet de réaliser une culasse de forme plus simple et plus solide, la (ou les) résistance(s) ne subissant pas le choc thermique de la part des combustions internes, cet équipement possèdera une plus grande longévité. Enfin, un fort réchauffage de l'air, avant et pendant la phase de démarrage, nécessitera, certes, d'équiper les véhicules d'une installation électrique plus importante, mais le rendement du moteur sera meilleur pendant les premières minutes de fonctionnement, et surtout la pollution fortement diminuée. De plus, l'énergie nécessaire au chauffage de la résistance d'admission pourra être fournie en 220 V extérieur lorsque cela sera possible, et sur les véhicules à propulsion mixte : moteur thermique, propulsion électrique, plus batterie tampon, la fraction d'énergie réservée au démarrage par rapport à l'énergie électrique stockée deviendra négligeable. En plus des systèmes décrits ci-dessus, je propose de réaliser les pistons, des variantes de moteurs à taux de compression modéré, entièrement en fonte. En effet, avec un taux de compression de seulement 12, comme déjà pris comme exemple ci-dessus, les contraintes mécaniques et thermiques seront plus proches de celles d'un moteur à essence que de celles d'un diesel classique. ll faut cependant tenir compte de la plus mauvaise diffusion de la température de la partie supérieure du piston à l'ensemble de la masse de celui-ci, dans le calcul de sa résistance.L'utilisation de la fonte pour la fabrication des pistons présentera comme avantage de garder plus de calories à l'intérieur de la chambre de combustion, de diminuer leur dilatation, d'être plus robuste, de permettre une meilleure lubrification, de rester chaud plus longtemps après l'arrêt du moteur, de s'échauffer rapidement en surface lors des démarrages. Pour les moteurs suralimentés, fonctionnant à fort couple et faible vitesse de rotation (relativement à leur version "atmosphérique"), I'inconvénient d'un piston en fonte, d'une masse légèrement plus grande que pour son équivalent en alliage d'aluminium, est encore moins sensible que pour les moteurs "atmosphériques". L'utilisation de fonte ou d'acier pour réaliser culasse, chemise de cylindre, bloc moteur (utilisés de nos jours sur certains moteurs diesels de véhicules routiers) serait particulièrement intéressante dans le cas des variantes de moteurs à taux de compression modéré, à préchauffage externe (de l'air au démarrage), à pression d'injection moyenne, et avec le carburant pas encore correctement préchauffé. Dans les variantes "2 temps" des moteurs selon l'invention, la culasse et le bloc cylindre en fonte pourraient être monobloc, ce qui ajouterait encore à la simplicité de réalisation, et à la diminution rapide des fines particules de carbone imbrûlées lors des rares démarrages à froid.Pour les variantes, dont l'injection du carburant préchauffé est assurée par la forte pression régnant à l'intérieur du système échangeur de température (culasse et tube enroulant la tubulure d'échappement), il faut, bien sûr, qu'il y ait en amont une pompe à carburant haute pression puisant le carburant froid dans le réservoir; cette pompe doit être en action avant le redémarrage d'un moteur si la pression à l'intérieur du circuit de carburant "chaud" s'est abaissée en-deçà d'un seuil préétabli. Pour améliorer les rares démarrages à froid d'un moteur selon l'invention, muni d'une enveloppe thermiquement isolante, et pour également limiter la température de réchauffage du carburant, pour une meilleure lubrification, et une meilleure étanchéité des injecteurs, il serait peut-être avantageux de recourir à un gazole (ou autre carburant) ayant un indice de cétane supérieur aux produits actuels. Les huiles végétales présentant une forte viscosité naturelle devraient se prêter particulièrement bien à l'utilisation sur des moteurs de ce type. L'expérience acquise dans la réalisation et l'utilisation des moteurs selon l'invention montrera peut-être qu'il serait possible de moins réchauffer le carburant avant de l'injecter tout en gardant de très bons auto-allumages et combustion, malgré un bas taux de compression. Aussi, je propose une variante du système de réchauffage du carburant intégré au système de refroidissement, qui consiste à associer culasse (et/ou bloc moteur complet) avec le collecteur, de façon à ce qu'ils ne forment plus qu'une seule et même pièce, en coulant le métal les constituant en une seule opération.Un court tronçon (quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres) du tube d'évacuation des gaz d'échappement, à la forme adaptée à la configuration particulière du compartiment moteur et du véhicule que le moteur équipe, pourra être associé à la culasse (et/ou au bloc moteur) et au collecteur d'échappement, en une seule pièce. Par ailleurs, les parois des tubulures "d'échappement" intégrées au bloc décrit ci-dessus seront très épaisses, avec des alvéoles de refroidissement ménagées à l'intérieur, communiquant avec les alvéoles de refroidissement de la culasse, et/ou de tout le bloc moteur. Ces alvéoles de refroidissement communes seront, bien sûr, remplies de carburant destiné à être injecté, réchauffé, dans la chambre de combustion. En construisant ainsi le moteur, on a la possibilité de récupérer suffisamment de calories pour le réchauffage du carburant, tout en évitant un joint délicat entre les circuits de réchauffage carburant "moteur" et réchauffage carburant "collecteur d'échappement". Ceci se traduit par un gain sur la simplicité de construction et sur la fiabilité. Des avantages annexes peuvent être considérés, tels que l'augmentation de la masse chaude du bloc moteur contenue dans l'enceinte isothermique avec, comme conséquence, l'augmentation de la constante de temps de refroidissement après arrêt. Le fait de refroidir les gaz d'échappement aura pour effet de réduire légèrement le bruit émis. Les dispositifs décrits ci-dessus sont applicables aussi bien simultanément pour constituer un type de moteur nouveau et très performant, ou bien individuellement pour améliorer des moteurs déjà existants. Cependant, leur application sur moteur deux temps serait nettement préférable, car il est souhaitable de disposer un moteur d'une grande simplicité mécanique (et compacte) à l'intérieur d'une enceinte thermiquement isolante telle que celle déjà décrite. ll est souhaitable également d'avoir un moteur qui monte en température le plus vite possible (les deux temps ont une combustion par tour) pour réchauffer le carburant destiné à être injecté. La durée de chauffage de l'air admis pendant la phase de démarrage (moteur entièrement froid) sera ainsi plus brève. NOTA 1 - fl est utile de rappeler qu'un moteur deux temps à injection directe supprime l'inconvénient majeur du deux temps à carburateur, qui est de laisser échapper une partie du carburant par les lumières d'échappement avant même d'avoir été utilisé. NOTA 2 - L'utilisation de la fonte pour la réalisation du piston, et de la culasse et des cylindres, permet un réchauffage rapide de la face interne des parois de la chambre de combustion. REVENDICATIONS 1) Moteurs à combustion interne, à auto-allumage, suralimentés ou non, à pré chauffage du carburant, maintenus chauds le plus longtemps possible après leur arrêt grâce à une enveloppe thermiquement isolante, qui les entoure presque entièrement, à taux de compression modéré (12 à 15 environ), caractérisés par le fait que, pour obtenir une constante de temps de refroidissement la plus grande possible du bloc moteur (à l'arrêt), on a placé à l'intérieur de l'enceinte isolante le maximum d'éléments mécaniques généralement associés aux moteurs des véhicules, tels que embrayage, alternateur, démarreur, boîte de vitesse, pompe d'injection, filtre, collecteur d'échappement et même une partie du tube d'échappement.Pour ces deux derniers éléments, une isolation thermique capable de résister à des températures élevées, placée directement autour, protègera l'enveloppe isolante de haute qualité placée par-dessus. La boîte de vitesse sera ellemême, si nécessaire, dotée de son propre système de contrôle thermique (par circulation de fluide caloporteur). 2) Moteurs à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisés en ce que le préchauffage du carburant résulte à la fois de l'isolation thermique, mais surtout de son passage dans des alvéoles ou des canalisations, ménagées dans la culasse ou dans l'ensemble bloc moteur culasse (à la place de l'eau dans un système de refroidissement classique). Les systèmes de refroidissement du moteur et de préchauffage du carburant constituent ainsi un seul et même système. Le réchauffage du carburant peut être complété en faisant parcourir au carburant une canalisation en spirale enroulée autour du tube d'échappement des gaz brûlés (ou du collecteur d'échappement) ; cette canalisation sera ménagée dans la paroi du tube d'échappement. 3) Moteurs à combustion interne, selon les revendications 1 et 2, caractérisés en ce que le collecteur de gaz d'échappement est associé à la culasse et/ou au bloc cylindres complet pour ne former qu'une seule pièce, les parois du ou des tubes du collecteur d'échappement sont suffisamment épaisses pour y ménager des alvéoles et canalisations (pour y faire circuler le carburant à réchauffer) et pour une meilleure diffusion de la chaleur entre les différentes parties du moteur. Une partie du tube d'échappement des gaz, de forme adaptée à la disposition du moteur et du reste du véhicule, pourra être associée au bloc collecteur cylindres culasse décrit ci-dessus pour ne former qu'une seule pièce. 4) Moteurs à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisés par le fait que l'injection du carburant préchauffé sera réalisée par une pompe montée en amont du système de préchauffage du carburant (donc agissant avec du carburant à la température ambiante) et par des injecteurs à soupapes (ou aiguilles) commandées par un moyen quelconque, mais luimême piloté, pour faire varier la puissance et le couple du moteur, avec l'aide d'un calculateur. 5) Moteurs à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'il n'y a pas de bougie de préchauffage classique dans la chambre de combustion, mais un système de réchauffage de l'air admis, par une résistance électrique (de puissance adaptée) dans la tubulure d'admission, le fonctionnement de cette résistance électrique doit être déclenché avant de faire tourner le moteur et être prolongé pendant la phase de démarrage (surtout pour les rares démarrages moteur complètement froid). 6) Moteurs à combustion interne, selon la revendication 1 et caractérisés par le fait que les pistons sont réalisés en fonte (en une seule pièce) pour accélérer le réchauffage de la face interne des pistons et donc raccourcir la durée de fonctionnement des bougies de pré chauffage, ou du réchauffage électrique de l'air admis. 7) Moteurs à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisés par le fait que l'isolation thermique entourant les moteurs est réalisée avec des matériaux multicouches, issus des matériaux d'isolation thermique utilisés dans l'industrie spatiale.