CH516740A

CH516740A - Procédé pour augmenter la puissance maximale d'un moteur Diesel suralimenté et moteur réalisé suivant ce procédé

Info

Publication number: CH516740A
Application number: CH137967A
Authority: CH
Inventors: Louis Gratzmuller Jean
Original assignee: Louis Gratzmuller Jean
Priority date: 1966-02-03
Filing date: 1967-01-31
Publication date: 1971-12-15
Also published as: ES336783A1; FR1475778A; BE693545A; DE1576227A1; NL6701595A; US3450109A; FR1522270A; AT307156B; JPS497806B1; GB1179472A

Description


  
 



  Procédé pour   augmenter      a    puissance   maximale      dfun    moteur Diesel suralimenté et moteur
 réalisé suivant ce procédé
 La présente invention a pour objet un procédé pour   augmenter    la puissance maximale d'un moteur Diesel suralimenté, d'une capacité donnée et ayant un rapport de compression au-dessus de 12:1.

  Le procédé est caractérisé en ce que l'on réduit ledit rapport de compression à une valeur fixe au-dessous de 12:1; et en ce qu'on fait fonctionner ledit   rnoteur    en utilisant un taux de suralimentation au-dessus de 3:1; en augmentant la quantité de combustible injecté dans une proportion sensiblement égale à celle de l'augmentation du poids de l'air d'alimentation introduit dans les cylindres du moteur; en chauffant l'air d'alimentation à une température correspondant à la température d'allumage spontané du combustible lorsque la température de fin de compression obtenue dans les cylindres du moteur est au-dessous de ladite température d'allumage spontané; et en refroidissant l'air d'alimentation lorsque ladite température de fin de compression dépasse ladite température d'allumage spontané.



   Elle vise également un moteur Diesel réalisé suivant un tel procédé, caractérisé en ce qu'il présente un rapport de compression au-dessous de 12:1 et en ce qu'il comprend en combinaison: des moyens de suralimentation qui sont actionnés par ledit moteur et qui fournissent aux cylindres dudit moteur de l'air d'alimentation à un taux supérieur à 3:1; des moyens de chauffage de l'air admis dans les cylindres dudit moteur; des moyens de refroidissement de cet air; ainsi que des moyens de régulation de la température de cet air contrôlant lesdits moyens de réchauffage et de refroidissement pour maintenir ladite température à une valeur sensiblement constante et au moins égale à la température d'allumage spontané du combustible injecte.



   Le dessin annexé représente à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un moteur qui fait l'objet de l'invention.



   La fig. 1 est une vue schématique d'un moteur
Diesel avec ses annexes.



   La fig. 2 représente des moyens de réchauffage de l'air admis dans les cylindres du moteur.



   La fig. 3 représente schématiquement une autre forme d'exécution ne comportant qu'un seul échangeur thermique pour assurer soit le réchauffage soit le refroidissement de l'air d'alimentation du moteur.



   On sait que l'une des caractéristiques principales des moteurs à combustion interne du type Diesel est leur rapport de compression relativement élevé qui a pour but d'élever adiabatiquement en fin de compression la température de l'air contenu dans les cylindres jusqu'à une valeur suffisamment élevée pour permettre, dans toutes les conditions courantes, l'inflammation du combustible liquide injecté dans les cylindres.



   Ce rapport de compression est par exemple de l'ordre de 13 à 20 suivant les types de moteur et les combustibles utilisés.



   On sait également qu'on a pu accroître dans une très forte proportion la puissance de ces moteurs grâce à la suralimentation fournie par un compresseur, généralement un turbo-compresseur, entraîné par le moteur. Il est ainsi possible d'introduire une masse d'air comburant plus grande dans les cylindres. Pour atteindre les taux de suralimentation relativement élevés, par exemple 2 à 3, en usage sur les moteurs
Diesel modernes de grande puissance (par exemple 2 à 3000 CV), on est obligé, avant d'introduire l'air dans les cylindres, de le refroidir par passage dans un ou deux réfrigérants. En effet, l'air s'échauffe par compression dans le compresseur et il est avantageux de le refroidir pour augmenter la masse   d'air    introduite dans les cylindres en même temps que pour maintenir un niveau convenable de température du cycle.



   Cependant, on ne peut pas augmenter indéfiniment le taux de suralimentation car, avec les moteurs fortement suralimentés, la caractéristique précitée fixant le rapport de compression sans suralimentation subsiste et  on arriverait, à pleine puissance, à des pressions excessives que ne pourraient pas supporter les éléments constitutifs du moteur.



   Le moteur Diesel 2, représenté schématiquement sur la fig. 1 comprend un système compresseur de suralimentation 4 constitué par une turbine 6 dont l'entrée est raccordée à la tubulure d'échappement 8 du moteur et qui est accouplé mécaniquement à un compresseur 10 à un ou plusieurs étages. Ce compresseur, lorsqu'il est entraîné par la turbine, aspire l'air atmosphérique par son entrée 12 et le refoule dans un conduit 14 qui communique avec le conduit d'admission 16 du moteur.



  Entre ces conduits 14 et 16 sont interposés, des moyens de réchauffage 18 et des moyens de refroidissement 20 reliés par un conduit 15.



   Dans la pratique, ces moyens de réchauffage et de refroidissement sont de préférence combinés en un seul dispositif, au besoin à plusieurs étages, mais pour la clarté de la description, ils sont ici représentés indépendants.



   Ces moyens de réchauffage et de refroidissement sont constitués par deux échangeurs thermiques, tels que des radiateurs, qui ont pour fonction de maintenir la température de l'air admis au moteur à une valeur sensiblement constante comprise par exemple entre deux valeurs   T1    et   T2.   



   Un fluide caloporteur, tel que de l'eau, à une température supérieure à la température   T1    peut circuler dans l'échangeur 18 où il arrive par une canalisation 22 et d'où il ressort par une canalisation 24. Dans l'échangeur 20, ou échangeur refroidisseur, peut circuler un fluide caloporteur, tel que de l'eau, à une température inférieure à la température T2, ce fluide arrivant par une canalisation 22' et ressortant par une canalisation 24'.



   Les systèmes de mise en température du fluide caloporteur et de circulation de ce fluide ne sont pas représentés sur la fig. 1, mais ce sont des systèmes bien connus dans l'industrie du chauffage central ou dans les techniques du refroidissement des moteurs à combustion interne.



   Si l'intervalle   Tl-T2    des températures est convenablement choisi, il est possible de combiner les deux échangeurs qui viennent d'être décrits, de façon à n'avoir qu'un seul échangeur.



   Le moteur comprend encore des moyens de régulation 26 de la température de l'air admis dans les cylindres. Ces moyens peuvent comporter un organe détecteur sensible à la température de l'air admis (ou à la température d'un fluide dont la température varie sensiblement comme celle de l'air admis) et un dispositif de commande qui agit sélectivement sur les échangeurs 18 et 20. Dans la représentation schématique de la fig. 1, ce dispositif de commande agit, par l'intermédiaire de liaisons 28 et 30, sur des vannes 32 et 34 respectivement interposées sur les canalisations d'arrivée 22 et 22' des échangeurs 18 et 20.



   En plus de ces divers éléments, le moteur présente d'autres points remarquables par rapport à un moteur
Diesel suralimenté classique:
 1. son rapport de compression est inférieur aux valeurs couramment employées, par exemple en dessous de 12, alors que les rapports de compression couramment choisis sur les moteurs à grande puissance sont de 14   à,20,   
 2. le taux de suralimentation fourni par le système compresseur 4 est plus élevé que sur les moteurs existants, ce taux étant par exemple supérieur à 3 alors que cette valeur n'est pratiquement pas dépassée sur les moteurs classiques,
 3. le système d'injection 36 du moteur permet d'injecter dans chaque cylindre à chaque cycle une dose de combustible plus forte que sur un moteur Diesel de construction classique.



   Les utilisateurs de moteurs Diesel imposent que le moteur puisse démarrer à une certaine température minimale de l'air ambiant, par exemple l'Union Internationale des Chemins de Fer impose un démarrage aisé à +50 C. Quels que soient la saison et le pays, le faible rapport de compression du nouveau moteur ne permet pas d'amener l'air par compression adiabatique dans la chambre de compression des cylindres à une température assurant l'allumage normal du combustible. L'air admis doit donc être réchauffé au démarrage et au ralenti, par l'échangeur 18, en toutes circonstances, jusqu'à la température   Tl,    par exemple supérieure à   60     C, permettant l'allumage du combustible.



   L'échangeur 18 eau/air est pourvu de moyens de chauffage de l'eau, fonctionnant indépendamment du moteur 2, qui sont représentés schématiquement sur la fig. 2 et qui comprennent une chaudière 38 chauffée par un brûleur 40 ainsi qu'une pompe électrique de circulation 42, alimentée par la batterie du moteur ou par le secteur, ce circuit étant raccordé à l'entrée 22 et à la sortie 24 de l'échangeur 18. L'eau chaude de ce circuit peut également, si on le désire, réchauffer le moteur, avant le démarrage, en passant dans son circuit de refroidissement. Une fois que le moteur est en route et chaud, la chaudière 38 peut être arrêtée, le circuit de l'échangeur 18 étant   alors    raccordé au circuit de refroidissement 44-46 du moteur par des vannes appropriées 4850 qui peuvent être actionnées automatiquement par un dispositif thermostatique approprié.



   Pendant cette période de réchauffage de l'air d'admission, avant le démarrage, on peut également utiliser le deuxième échangeur 20 comme réchauffeur en le faisant parcourir par l'eau chaude de la chaudière et en raccordant sa sortie 24' à l'entrée 22 de l'échangeur 18.



   Suivant une variante, les moyens de chauffage fonctionnant indépendamment du moteur peuvent être constitués par un brûleur chauffant directement l'air dans l'échangeur 18. L'air d'alimentation se trouve ainsi chargé des produits de combustion du brûleur, mais ceci ne présente pas d'inconvénient car, au démarrage et au ralenti, l'air comburant admis dans les cylindres est surabondant vis à vis de la dose de combustible injectée à ce régime.

 

   L'air d'admission étant ainsi réchauffé à la température   Ts,    par exemple entre   60     C et 800 C environ, le moteur peut démarrer et tourner au ralenti sans s'encrasser.



   Au fur et à mesure que la charge et la vitesse du moteur augmentent, le compresseur 10 se met à débiter et à échauffer l'air qu'il débite. Le système de régulation de température 26 réduit donc progressivement, par exemple par fermeture de la vanne d'entrée d'eau chaude 32, I'apport de chaleur que fournit l'échangeur 18 à l'air d'admission.



   Pour une zone donnée du régime du moteur et pour une température ambiante donnée, le compresseur 10  fournit l'air de suralimentation à une pression p et à une température comprise entre   T1    et T2, si bien que les échangeurs 18 et 20 n'ont plus besoin de céder ou d'enlever des calories à l'air d'admission. Au-dessus de cette zone, le compresseur fournit de l'air à haute pression à une température supérieure à T2 et l'échangeur refroidisseur 20 entre en action, ainsi qu'il est usuel sur les moteurs suralimentés, pour augmenter la masse d'air admise dans les cylindres et maintenir le niveau de température du cycle à une valeur convenable.



   Dans la pratique, le système de régulation de température 26 mesure de préférence la température de l'eau de refroidissement ou de réchauffage plutôt que celle de l'air admis dans les cylindres, de façon à avoir un fonctionnement plus stable.



   Jusqu'à une puissance sensiblement identique à celle d'un moteur classique de cylindrée égale, le moteur fonctionne sensiblement comme ce moteur classique si ce n'est qu'il peut démarrer facilement à basse température, qu'il peut fonctionner sans inconvénient au ralenti grâce au système de réchauffage de l'air d'admission, et qu'il est alimenté en air à une température sensiblement constante.



   Les tableaux ci-dessous montrent que le moteur peut développer une puissance maximale bien supérieure à celle d'un moteur classique de cylindrée identique.



   Le tableau I est une comparaison entre deux moteurs Diesel de mêmes cylindrées dont les pressions et les températures maximales de fin de combustion sont sensiblement identiques.



   Tableau I
 Moteur classique Nouveau moteur - cylindrée C C - volume de la chambre de compression V V x a
 C+V C+aV R   - valeurs du rapport de compression R = ---- R' = ---- # $F   
 V aV a - Masse d'air comburant minimale
 introduite dans le moteur à chaque
 cycle à pleine puissance M M x a - Dose de combustible injectée
 à chaque cycle à pleine puissance d d x a - puissance maximale W W x a
 Dans ce tableau, le coefficient a a une valeur supérieure à 1 pouvant aller jusqu'à 1,6 ou même 1,8. On voit donc que le moteur, du fait qu'il reçoit à chaque cycle une masse plus importante d'air comburant, peut donner par exemple   5O0/o    de puissance de plus qu'un moteur classique de cylindrée identique, sans soumettre le moteur à des fatigues excessives puisque les températures et pression maximales peuvent rester sensiblement identiques.



   Le tableau   II    est donné à titre indicatif et comparatif sans aucun caractère de limitation. On a choisi, pour cet exemple, des moteurs de 150 litres de cylindrée donnant leur puissance maximale à un régime de 1.350 tours/minute. Dans le moteur, l'air d'alimentation est réchauffé ou refroidi, selon les circonstances, par un échangeur thermique unique, ainsi qu'il est décrit à propos de la fig. 3, le réglage de la température de l'air d'admission étant obtenu par le réglage de la température de l'eau circulant dans l'échangeur et dans le moteur. Dans cet exemple, le coefficient a a été choisi égal à 1,5.  



   Tableau Il
 Moteur classique Nouveau moteur - cylindrée 150 litres 150 litres - rapport de compression 12,6 8,4 - taux de suralimentation
 à pleine puissance 2,8 5,4 - Température maximale de l'air
 à l'admission au moteur 570 C 1150 C - Température minimale de l'eau
 permettant un démarrage aisé   +50    C 550 C - Température minimale de l'air
 admis assurant un fonctionnement
 normal du moteur   t)    200 C   80"    C - Pression moyenne effective 18 kg/cm2 27 kg/cm2 - Puissance maximale 3.000 KW ou 4.080 ch 4.500 KW ou 6.020 ch - Plage de réglage de la température   85à1000C   
 de l'eau dans l'échangeur   
 1) Dans les conditions classiques, le réglage de la température minimale de l'air admis au moteur n'est pas réalisé,

   ce qui pro
 voque un mauvais fonctionnement du moteur au ralenti par temps froid.   



   On a représenté schématiquement sur la fig. 3, un nouveau moteur Diesel dans lequel l'air d'alimentation du moteur aspiré à l'atmosphère par la prise d'air 12 et comprimé par un compresseur 10, à un ou plusieurs étages, est réchauffé ou refroidi, suivant les circonstances, par passage dans un échangeur thermique unique 52, éventuellement à plusieurs étages, qui est interposé entre les tubulures 14-16 d'alimentation d'air du moteur.



   Cet échangeur 52 renferme des tubulures de circulation d'eau, schématisées par une chemise 54, qui sont raccordées sur le circuit de refroidissement à eau normal du moteur 2. Ce circuit de refroidissement comprend, ainsi qu'il est usuel, un radiateur 56, une pompe de circulation 42, des canalisations d'arrivée et de départ   5860    de   I eau    aux chemises d'eau du moteur ainsi que des canalisations de liaison   62-64-66.   



   Sur ce circuit est interposée une chaudière 38, analogue à celle de la fig. 2 réchauffant l'eau du circuit, et par conséquent l'air d'alimentation à son passage dans l'échangeur 52, tant que cet air est à une température inférieure à la limite   T1    précitée.



   Pour régler la température de l'air d'admission entre les valeurs   T1    et T2 précitées, par exemple entre   80"    C et 1150 C dans l'exemple choisi, on règle la température de l'eau, circulant dans l'échangeur 54 et dans le moteur entre deux valeurs   T'    et   72    choisies, la plage de réglage de l'eau étant par exemple de 850 C à   1000 C    à l'entrée de l'échangeur 52 dans l'exemple choisi.



   Ce réglage de la température de l'eau est effectué par un dispositif thermostatique 26 adapté à commander par exemple la mise en route ou l'arrêt du ventilateur 68 du radiateur 56, la mise en route ou l'arret de la chaudière 38, la mise en dérivation de certaines parties du circuit par manoeuvre de vannes appropriées, et toutes autres opérations qui sont courantes dans les systèmes connus de régulation de température.

 

   Suivant la disposition représentée sur la   fig. 3,    on peut réaliser un groupe moteur, notamment pour locomotive Diesel, dans lequel le circuit d'eau de l'échangeur thermique 52 est commun avec le circuit d'eau de refroidissement du moteur, grâce à quoi, la locomotive ne comporte qu'un seul circuit d'eau, avec un seul radiateur ou une seule série de radiateurs, pour le réchauffage et le refroidissement de l'air d'alimentation ainsi que du moteur.



   Le prooédé s'applique plus particulièrement aux moteurs de grande   puissance    tels que ceux utilisés sur les locomotives Diesel, sur les groupes électrogènes ou sur les bateaux.

Claims

REVENDICATIONS

I. Procédé pour augmenter la puissance maximale d'un moteur Diesel suralimenté, d'une capacité donnée et ayant un rapport de compression au-dessus de 12:1, caractérisé en ce que l'on réduit ledit rapport de compression à une valeur fixe au-dessous de 12:1; et en ce qu'on fait fonctionner ledit moteur en utilisant un taux de suralimentation au-dessus de 3:1; en augmentant la quantité de combustible injecté dans une proportion sensiblement égale à celle de l'augmentation du poids de l'air d'alimentation introduit dans les cylindres du moteur;

en chauffant l'air d'alimentation à une température correspondant à la température d'allumage spontané du combustible lorsque la température de fin de compression obtenue dans les cylindres du moteur est aurdessous de ladite température d'allumage spontané; et en refroidissant l'air d'alimentation lorsque ladite température de fin de compression dépasse ladite température d'allumage spontané.

II. Moteur Diesel réalisé suivant le procédé de la revendication I, caractérisé en ce qu'il présente un rapport de compression au-dessous de 12:1 et en ce qu'il comprend en combinaison: des moyens de suralimentation qui sont actionnés par ledit moteur et qui fournissent aux cylindres dudit moteur de l'air d'alimentation à un taux supérieur à 3:1; des moyens de chauffage de l'air admis dans les cylindres dudit moteur; des moyens de refroidissement de cet air; ainsi que des moyens de régulation de la température de cet air contrôlant lesdits moyens de réchauffage et de refroidissement pour maintenir ladite température à une valeur sensiblement constante et au moins égale à la température d'allumage spontané du combustible injecté.

SOUS-REVENDICATIONS 1. Moteur suivant la revendication II, caractérisé en ce qu'il comprend un premier échangeur thermique eau/ air, ou réchauffeur d'air d'alimentation, dont le circuit d'eau peut être raccordé à une source de chaleur, fonctionnant indépendamment du moteur, ledit moteur comprenant également un deuxième échangeur thermique eau/air, ou refroidisseur d'air d'alimentation, dont le circuit d'eau peut être raccordé au circuit de refroidissement à eau dudit moteur.

2. Moteur suivant la revendication II et la sous-revendication 1, caractérisé en ce que les deux échangeurs sont groupés en un seul échangeur dont le circuit d'eau peut être raccordé à une source de chaleur, fonctionnant indépendamment du moteur et/ou au circuit de refroidissement à eau dudit moteur.

3. Moteur suivant la revendication II et les sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de régulation de la température de l'air d'alimentation du moteur comprennent au moins un élément sensible à la température de l'eau circulant dans le ou lesdits échangeurs, ledit élément sensible commandant des organes de régulation maintenant la température de cette eau entre deux limites déterminées, et maintenant la température de l'air entre deux autres limites déterminées.

4. Moteur suivant la revendication II et les sous-revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le circuit d'eau de l'échangeur thermique est commun avec le circuit d'eau de refroidissement du moteur, ledit circuit d'eau assurant seul avec une seule série de radiateurs, le réchauffage et le refroidissement du moteur ainsi que de l'air d'alimentation.