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BREVET D'INVENTION Culasse à prévaporisation des carburants légers et à cracking des huiles lourdes pour moteurs à combustion interne
Dans les moteurs à combustion interne, du cycle DIESEL, ou analogue, on donne généralement la préférence, pour l'inj ect ion du combustible, à la "solide-injection" qui permet d'envoyer le combustible sous forte pression à l'injecteurpulvérisateur du moteur.
Mais ce mode d'injection quoique considéré comme le meilleur ne permet pas d'obtenir avec le type de moteur susdit, une vitesse aussi rapide que celles qui sont atteintes par les moteurs à explosions.
Cette infériorité est due surtout à ce que l'on n'est plus maître de l'allure de la combustion dans les moteurs à injection directe. Pour obtenir une combustion aussi rapide et complète que possible, il devient nécessaire de réduire le temps d'injection et d'augmenter la pression.
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Des considérations d'élasticité des tuyauteries et du com- bustible, ainsi que la réalisation des très fortes pres- sions nécessaires conduisent à faire l'injection sous la forme dite "à coups de marteau", parce que la colonne de liquide qui va à l'injecteur doit recevoir une impulsion tellement brutale,qu'elle devient un véritable choc.
De los, le retard à l'allumage restant toujours le même, une avance considérable à l'injection devient nécessaire et tout le combu3tible se trouve injecté au moment de l'allumage ce qui entraîne une pointe de presaion très élevée.
Il en résulte une grande rudesse de marche, une combustion toujours incomplète, la nécessité d'une grande turbulence de l'air au moment de l'allumage et enfin un système pompe-injecteur d'un prix élevé.
La présente invention permet au contraire de remédier à tous des défauts en procurant un dispositif de culasse à chambre de prévaporisation et de décomposition par cracking des produits lourds.
Ce dispositif permet de régulariser l'alimentation des moteurs à combustion interne, qu'ils soient du cycle dit à explosion ou du cycle à injection.
Ce procédé d'alimentation permet de régler l'allure de la combustion dans un moteur à injection directe du fait que le retard à l'allumage est pratiquement annulé. Le com- bustible brûle complètement au fur et à mesure de son injec- tion convenablement dosée.
On peut ainsi obtenir de très grandes pressions moyennes et une très bonne souplesse de marche avec les meilleurs rendements thermiques.
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Les dessins annexés, auxquels on se réfère, montrent, à titre de simple exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention. Sur ce dessin : fig.l, est une vue en coupe suivant la ligne 1-1 de la figure 2; fig.2, est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; fig.3, montre le volet de réglage, de face; fig.4, le volet de réglage vu en coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; fig.5, une coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 2.
Le corps de culasse 1 en alliage spécial conservant de bonnes qualités mécaniques à 5000 présente du côté de la chambre de combustion, une forme conique dans la partie centrale la venant se raccorder tangentiellement à une zone sphérique lb vers sa périphérie. Au sommet de ce cône central, débouche la soupape 2 de l'injecteur 3 vissé dans l'ouverture ménagée au centre de la culasse 1. Sur la face extérieure, sont ménagés les logements de la chambre de vaporisation 4 et d'un pyrostat 5. Au centre, un bossage lc reçoit l'embase de l'injecteur. A la périphérie, quatre pattes d'attache 6 permettent la fixation de l'ensemble de la culasse et du cylindre au carter par quatre tiges filetées 7. Une oreille 8 livre passage à la tige de commande 9 du culbuteur 10.
La contre-culasse 11 vient s'appliquer sur le corps de culasse 1. Elle comporte essentiellement une coquille en forme de demi-tore à section circulaire venant compléter le logement réservé d'autre part par le corps de culasse à la clambre de vaporisation 4 et se raccordant à une toile de révolution 12 terminée pa.r une embase 13. Cette dernière partie ferme le logement du pyrostat 5 et permet la liaison de la pièce au corps de culasse, elle reçoit de plus un bossage alé-
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sé pour le passage d'un arbre 14 commandé par le pyrostat.
Sur l'autre face de cette contre-culasse, des ailettes de refroidissement 15 sont venues de la masse.
Au-dessus et concentriquement à ces deux pièces 1 et 11 sont bloqués, par les quatre tiges de fixation 7, deux couvercles 16 et 17 formant la chambre de refroidissement en l'isolant thermiquement de l'extérieur par une double paroi. Sur le couvercle intérieur 16 sont ménagés deux bossages 18 supports de l'arbre 19a du volet de réglage 19 de circulation d'air. Ce dernier n'est pas représenté sur l'ensemble de la figure 1 pour ne pas nuire à la clarté du croquis, mais il est représenté en détails par les figures 3 et 4. 3ur la face extérieure du deuxième couvercle 17 sont ménagées deux oreilles 20 recevant l'axe 21 du culbuteur 10.
Ce couvercle porte aussi une embase 22 à sa partie inférieure, embase qui reçoit directement les quatre écrous des tiges de fixation 7 bloquant entre lui et le carter l'ensemble des pièces 1, 16, 17 et le cylindre. Dans ces deux couvercles, sont taillées à l'avant, l'ouverture obturée par le volet de réglage, à l'arrière, les fentes d'évacuation d'air chaud.
La chambre de vaporisation 4, moulée dans son logement entre le corps de culasse 1 et la contre-culasse 11, est munie d'un tuyau d'arrivée du carburant liquide 23 et d'un tuyau 24 par lequel le carburant vaporisé est envoyé à l'in- jecteur 3.
Enfin le pyrostat 5 est constitué par un tube manométrique en arc de cercle dont l'extrémité prend appui sur la contre-culasse 11 et transmettant en 25 (fig.5), par son extrémité mobile 5a ses déplacements fonction de la température à l'arbre 14, lequel le retransmet en l'amplifiant au moyen d'un secteur denté 26 engrenant avec un petit pignon 27 monté sur l'arbre 19 qui porte le volet régulateur
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d'aération.
Si l'on suit le carburant depuis sa sortie de la pompe qui alimente la culasse sous la pression nécessaire jusqu'au moment de sa combustion dans le cylindre on observe les faits suivants.
Le carburant pénètre à l'état liquide par le tuyau d'arrivée 23 dans la chambre de vaporisation 4. Là s'il s'agit d'un carburant à température critique inférieure à sa temperature de décomposition, il est porté à une température légèrement supérieure à sa température critique de façon à obtenir une vapeur surchauffée comprimée au-dessus de sa pression critique. Si le carburant est un produit lourd, il est porté à température convenable pour obtenir un cracking avec le minimum de dépôt de coke et avec la pression nécessaire à l'injection. La vapeur injectée est alors constituée par un mélange de produits légers et plus lourds et d'hydrogène.
Ces gaz entraînent par insufflation les produits liquides non crackés. A cet effet, la température nécessaire à l'ob- tention d'un pourcentage convenable de gaz légers est réglée par le pyrostat en fonction du régime du moteur et le volume de la chambre de vaporisation 4 est fonction de la vitesse de cracking à la température de fonctionnement maximum. Les gouttelettes de produits non crackés ainsi formées sont injectées au-dessus de la température d'allumage et s'enflamment instantanément.
Cette injection a lieu par le tuyau 24 diamètralement opposé à l'arrivée 23 et par l'injecteur 3. Ce dernier, à soupape 2 commandée par le culbuteur 10, possède une chambre suffisamment grande pour y loger un réchauffeur électrique 28 utilisé au démarrage et à la marche au ralenti ou aux faibles charges.
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Le courant est établi automatiquement dans cette résistance par le pyrostat 5 lorsque la température de la culasse devient insuffisante.
Le pyrostat est construit de telle façon qu'il règle la température de la culasse en fonction des vitesses de cracking adaptées elles-mêmes aux consommations variables du moteur.
La chambre de vaporisation 4 est facilement échangeable lorsqu'elle est encrassée de coke.
Pour les démarrages, on peut utiliser l'essence qui n'a @as besoin de réchauffage. Il suffit alors d'augmenter la pression -l'injection tout en réduisant le temps d'injection. La pulvérisation est alors suffisante pour assurer une combustion acceptable aux faibles vitesses du démarrage. La came de com- mande de l'injecteur possède un profil variable convenablement calculé de façon à permettre de faire varier le débit de combustible injecté en fonction du temps :.'injection et de doser ainsi l'allure de la combustion à toutes les charges et vitesses du moteur.
Le carburant est donc injecté dans la chambre de combustion sous la forme d'une nappe gazeuse conique projetée sur la culasse de façon à ce que s'amorce un mouvement tourbil- lonnaire, la nappe gazeuse prend alors la forme d'un tore dans lequel est brassé et brûlé le restant de la charge injectée.
Le retard à l'allumage n'existe plus. En effet, dans les procédés usuels d'injection, le retard à l'allumage est la son- me de deux temps : le temps nécessaire à la vaporisation du liquide sur la surface de la gouttelette, ensuite letmmps de pénétration de la chaleur nécessaire pour obtenir la tem- pérature d'allumage jusqu'au centre de cette gouttelette. Il est évident que des deux causes de retard sont annulées lorsque le carburant est injecté sous forme de vapeur portée audessus de la température d'allumage avant son injection. Il est nécessaire que cette vapeur soit une vapeur surchauffée
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avant son injection de façon à éviter la formation de gouttelettes par suite de la détente qui se produit au moment de l'injection.
On conçoit que la courbe de combustion n'est plus produite, au hasard des conditions possibles d'injection, mais que l'on peut la réaliser telle qu'elle aura été dësssinée à l'avance pour obtenir les qualités que l'on désire donner au moteur.
Le même système d'alimentation peut s'appliquer aussi bien aux moteurs très rapides pour l'aviation ou l'automobile qu'aux moteurs fixes industriels. Dans ces derniers, il est alors possible d'obtenir, par un réglage convenable des temps et débits d'injection, des courbes de combustion réalisant le cycle de meilleur rendement.
Il est bien évident que les mêmes principes de réalisation s'appliquent aussi bien à tous les genres de moteurs: moteurs à quatre temps, moteurs- à deux temps à pistons op- posés, à balayage en équicourant ; etc...Pour les moteurs polycylincriques, on peut naturellement concevoir des blocsculasses alimentant un nombre quelconque de cylindres. Dans les moteurs fixes à gros alésage, on peut être conduit à multiplier le nombre des injecteurs sur une même culasse.
Toutes ces solutions peuvent se multiplier à l'infini et ne sont que différentes frmes de réalisation de la mème idée faisant l'objet de la présente invention.
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PATENT OF INVENTION Head for pre-spraying light fuels and cracking for heavy oils for internal combustion engines
In internal combustion engines, of the DIESEL cycle, or the like, preference is generally given, for fuel injection, to "solid-injection" which makes it possible to send the fuel under high pressure to the spray injector. of the motor.
But this injection mode, although considered to be the best, does not make it possible to obtain, with the aforementioned type of engine, a speed as fast as those attained by explosion engines.
This inferiority is mainly due to the fact that we are no longer in control of the pace of combustion in direct injection engines. To obtain as rapid and complete combustion as possible, it becomes necessary to reduce the injection time and increase the pressure.
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Considerations of the elasticity of the piping and of the fuel, as well as the achievement of the very high pressures required, lead to injection in the form known as "hammer blows", because the column of liquid which goes to the injector must receive such a sudden impulse that it becomes a real shock.
De los, the ignition delay always remaining the same, a considerable advance in injection becomes necessary and all the fuel is injected at the time of ignition, which causes a very high pressure peak.
The result is great roughness of operation, combustion that is always incomplete, the need for great air turbulence at the time of ignition and finally a pump-injector system at a high price.
On the contrary, the present invention makes it possible to remedy all of the defects by providing a cylinder head device with a chamber for pre-spraying and decomposition by cracking heavy products.
This device makes it possible to regulate the supply of internal combustion engines, whether they are of the so-called explosion cycle or of the injection cycle.
This method of supply makes it possible to adjust the rate of combustion in a direct injection engine because the ignition delay is practically canceled. The fuel burns completely as it is injected, suitably dosed.
It is thus possible to obtain very high average pressures and very good operating flexibility with the best thermal yields.
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The accompanying drawings, to which reference is made, show, by way of simple example, one embodiment of the object of the invention. In this drawing: fig.l, is a sectional view along line 1-1 of Figure 2; Fig.2, is a section taken on line 2-2 of Figure 1; fig.3, shows the adjustment flap, from the front; fig.4, the adjustment flap seen in section along line 4-4 of figure 3; fig. 5, a section on line 5-5 of figure 2.
The cylinder head body 1 in special alloy retaining good mechanical qualities at 5000 has on the side of the combustion chamber, a conical shape in the central part coming to be connected tangentially to a spherical zone lb towards its periphery. At the top of this central cone, opens the valve 2 of the injector 3 screwed into the opening made in the center of the cylinder head 1. On the outer face, the housings of the vaporization chamber 4 and of a pyrostat 5 are provided. In the center, a boss lc receives the base of the injector. At the periphery, four fastening tabs 6 allow the assembly of the cylinder head and the cylinder to be fixed to the crankcase by four threaded rods 7. A lug 8 provides passage to the control rod 9 of the rocker arm 10.
The counter-cylinder head 11 is applied to the cylinder head body 1. It essentially comprises a shell in the form of a half-torus with a circular section which completes the housing reserved on the other hand by the cylinder head body for the vaporization chamber 4 and connecting to a canvas of revolution 12 completed by a base 13. This last part closes the housing of the pyrostat 5 and allows the connection of the part to the cylinder head body, it also receives a reamed boss.
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Sé for the passage of a shaft 14 controlled by the pyrostat.
On the other face of this counter-cylinder head, cooling fins 15 have come from the mass.
Above and concentrically to these two parts 1 and 11 are blocked, by the four fixing rods 7, two covers 16 and 17 forming the cooling chamber by thermally insulating it from the outside by a double wall. On the inner cover 16 are formed two bosses 18 supporting the shaft 19a of the air circulation adjustment flap 19. The latter is not shown in the assembly of Figure 1 so as not to affect the clarity of the sketch, but it is shown in detail in Figures 3 and 4. 3 on the outer face of the second cover 17 are provided two ears. 20 receiving the axis 21 of the rocker arm 10.
This cover also carries a base 22 at its lower part, which base directly receives the four nuts of the fixing rods 7 blocking between it and the housing all of the parts 1, 16, 17 and the cylinder. In these two covers, are cut at the front, the opening closed by the adjustment flap, at the rear, the hot air exhaust slots.
The vaporization chamber 4, molded in its housing between the cylinder head 1 and the cylinder head 11, is provided with a liquid fuel inlet pipe 23 and a pipe 24 through which the vaporized fuel is sent to injector 3.
Finally, the pyrostat 5 is constituted by a manometric tube in an arc of a circle, the end of which is supported on the counter-cylinder head 11 and transmitting at 25 (fig. 5), by its mobile end 5a, its movements as a function of the temperature at the shaft 14, which retransmits it by amplifying it by means of a toothed sector 26 meshing with a small pinion 27 mounted on the shaft 19 which carries the regulator flap
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ventilation.
If we follow the fuel from its exit from the pump which supplies the cylinder head under the necessary pressure until the moment of its combustion in the cylinder, the following facts are observed.
The fuel enters the liquid state through the inlet pipe 23 into the vaporization chamber 4. There, if it is a fuel with a critical temperature below its decomposition temperature, it is brought to a temperature slightly above its critical temperature so as to obtain superheated vapor compressed above its critical pressure. If the fuel is a heavy product, it is brought to a suitable temperature in order to obtain cracking with the minimum amount of coke deposit and with the pressure necessary for injection. The injected steam is then made up of a mixture of light and heavier products and hydrogen.
These gases cause the non-cracked liquid products by insufflation. To this end, the temperature necessary to obtain a suitable percentage of light gases is regulated by the pyrostat as a function of the engine speed and the volume of the vaporization chamber 4 is a function of the cracking speed at the maximum operating temperature. The droplets of non-cracked products thus formed are injected above the ignition temperature and ignite instantly.
This injection takes place through the pipe 24 diametrically opposed to the inlet 23 and through the injector 3. The latter, with a valve 2 controlled by the rocker arm 10, has a chamber large enough to accommodate an electric heater 28 used at start-up and when idling or at low loads.
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The current is automatically established in this resistor by the pyrostat 5 when the temperature of the cylinder head becomes insufficient.
The pyrostat is built in such a way that it regulates the temperature of the cylinder head according to the cracking speeds themselves adapted to the variable consumption of the engine.
The vaporization chamber 4 is easily exchangeable when it is clogged with coke.
Gasoline can be used for starting, which does not need reheating. It then suffices to increase the injection pressure while reducing the injection time. Spraying is then sufficient to ensure acceptable combustion at low starting speeds. The injector control cam has a variable profile suitably calculated so as to make it possible to vary the flow rate of injected fuel as a function of time:. 'Injection and thus to measure the rate of combustion at all the charges. and engine speeds.
The fuel is therefore injected into the combustion chamber in the form of a conical gas sheet projected onto the cylinder head so that a vortex movement begins, the gas sheet then takes the form of a torus in which is stirred and burned the remainder of the injected charge.
The ignition delay no longer exists. In fact, in the usual injection processes, the ignition delay is the sound of two times: the time required for the liquid to vaporize on the surface of the droplet, then the time required for the heat to penetrate. obtain the ignition temperature to the center of this droplet. It is obvious that the two causes of delay are canceled out when the fuel is injected in the form of vapor raised above the ignition temperature before it is injected. This vapor must be superheated vapor
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before its injection so as to avoid the formation of droplets as a result of the relaxation which occurs at the time of injection.
We can see that the combustion curve is no longer produced, at random from the possible injection conditions, but that we can achieve it as it will have been designed in advance to obtain the qualities that we want give to the engine.
The same power system can be applied to very fast engines for aviation or automobiles as well as to industrial stationary engines. In the latter, it is then possible to obtain, by suitable adjustment of the injection times and flow rates, combustion curves achieving the best efficiency cycle.
It is quite obvious that the same principles of realization apply equally well to all the types of engines: four-stroke engines, two-stroke engines with opposed pistons, scanning by equicurrent; etc ... For polycylincric engines, it is naturally possible to design cylinder heads supplying any number of cylinders. In large-bore stationary engines, it may be necessary to increase the number of injectors on the same cylinder head.
All these solutions can be multiplied ad infinitum and are only different forms of realization of the same idea forming the object of the present invention.
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