EP0189714B1 - Dispositif pour améliorer la qualité du mélange carburé délivré par un système d'injection pneumatique - Google Patents

Dispositif pour améliorer la qualité du mélange carburé délivré par un système d'injection pneumatique Download PDF

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EP0189714B1
EP0189714B1 EP85402627A EP85402627A EP0189714B1 EP 0189714 B1 EP0189714 B1 EP 0189714B1 EP 85402627 A EP85402627 A EP 85402627A EP 85402627 A EP85402627 A EP 85402627A EP 0189714 B1 EP0189714 B1 EP 0189714B1
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outlet
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/08—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel characterised by the fuel being carried by compressed air into main stream of combustion-air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M67/00—Apparatus in which fuel-injection is effected by means of high-pressure gas, the gas carrying the fuel into working cylinders of the engine, e.g. air-injection type
    • F02M67/02—Apparatus in which fuel-injection is effected by means of high-pressure gas, the gas carrying the fuel into working cylinders of the engine, e.g. air-injection type the gas being compressed air, e.g. compressed in pumps

Definitions

  • the present invention relates to a device intended to improve the quality of the fuel mixture delivered by a pneumatic injection system, supplying an alternative internal combustion engine.
  • Direct or indirect injection of liquid fuel overcomes the harmful effects of poor distribution between cylinders and exhaust losses, and facilitates fuel metering.
  • a third process is still little or not used in reciprocating engines, it is pneumatic injection. This process combines the advantages of direct or indirect liquid injection, and those of carburetion. Indeed, the fluid mixture introduced is already a partially prepared fuel mixture, its distribution can be independent for each cylinder, and triggered so as to minimize losses to the exhaust.
  • the proposed invention relates to the arrangement of a pneumatic injector by means of a nozzle intended to improve the air-fuel mixture injected.
  • the present invention relates to a device for improving the quality of the fuel mixture delivered by a pneumatic injection system supplying a reciprocating internal combustion engine, said pneumatic injection system comprising a member for injecting the liquid fuel opening into a injection prechamber.
  • This device notably comprises at least two means for speeding up the fuel mixture, the first of which comprises an injection nozzle disposed in said injection prechamber, said injection nozzle comprising an outlet edge and being supplied with liquid fuel by said fuel injection member.
  • said injection nozzle comprises a sleeve open at both ends and having a throttle in its internal passage, this sleeve being inserted into the prechamber, leaving a space between its outer surface and the wall of the prechamber and includes the outlet edge at its outlet end, a current gas and at least one jet of liquid fuel from said injection member opening into the interior passage of the sleeve, the gas flow also passing outside the sleeve, and a member having the general shape of a tulip, this member being disposed at the outlet of the prechamber near the outlet end of the sleeve and forms a first annular orifice with the outlet end of the sleeve and, downstream of this first orifice, a second annular orifice with the outlet of the prechamber at less during the period of injection of the mixture, one of these orifices forming the second means of speeding up the fuel mixture, said prechamber communicating with the combustion chamber of the engine.
  • the injection nozzle may be arranged coaxially with said prechamber.
  • the injection nozzle may be integral with the walls of said prechamber and present, substantially at the level of its neck, at least one lateral orifice into which opens at least one liquid fuel injection member.
  • Said member having a general tulip shape may correspond to an injection valve closing and opening the outlet of the prechamber, and the second annular orifice can be formed with the outlet of the prechamber during the period of injection of the mixture.
  • the second speed setting means may comprise a fixed member having a tulip-shaped end leaving a permanent opening, this member comprising a rod passing through the nozzle.
  • the injection prechamber may be connected to a source of pressurized forced air.
  • the second speed setting means may comprise a maximum passage section of the fuel mixture of between 20% and 80% of the passage section of the total passage section of said chamber.
  • the fuel injection member can be positioned in the prechamber so as to produce a jet towards the internal surfaces of the nozzle.
  • the reference 1 designates the combustion chamber of an alternative internal combustion engine, the cylinder head 2 of which has an injection orifice 3 making an injection prechamber 4 communicate with the chamber 1.
  • FIG. 1 represents the schematic section of an embodiment of a pneumatic injector equipped with a nozzle substantially improving the spraying of the fuel, and the qualities of homogeneity of the injected mixture.
  • This nozzle is referenced 5, and it is inserted into the prechamber 4, closed by the injection valve 6, and into which there opens an inlet 7 of gas containing oxygen, such as air, as well as one or more several liquid fuel injectors, referenced 8.
  • the reference 12 designates the outlet edge of the nozzle.
  • the nozzle constitutes a first means of speeding up the gases constituting the fuel mixture. Second means for speeding up these gases can be produced by the edge 12 of the nozzle outlet and by the valve 6 or by this same valve 6 and the seat 13 of this valve.
  • the movements of the valve can be caused by conventional or other control members, and this valve controls by its opening the actual injection, by establishing an air flow through the prechamber 4 and the nozzle 5, which sprays the fuel. and drives it outside the injector.
  • Liquid fuel may be introduced into the prechamber during the opening of the valve, or even before this opening, the prechamber, then acting as a reserve.
  • the air jet was blown by a system other than that of the valve, or if the fuel was metered and introduced into the prechamber by another device than commercial injectors .
  • the injection nozzle 5 is substantially coaxial with the prechamber 4 and is arranged so as to be substantially closed at the same time as the orifice 3 by the valve 6.
  • FIG. 2 represents an embodiment comprising a fixed member 10 having the general shape of a tulip and associated with the nozzle 5 which is integral with its rod 11.
  • This member is mounted so as to leave the injection orifice 3 permanently open, the alternative injection process being ensured by a flow of air pulsed under pressure through the pipe 7.
  • This embodiment is particularly well suited for an indirect injection system. It can be housed in the cylinder head or elsewhere, for example in the intake manifolds.
  • the injection orifice can serve as a second means of speeding up the fuel mixture.
  • these second means may be formed by the passage defined by the outlet edge 12 of the nozzle 5 and the tulip 10.
  • This embodiment makes it possible in particular to dispense with an injection valve control system. It is however necessary to provide means 16 to prevent the reflux of the gases during the combustion phases. This can be achieved by using a non-return valve.
  • the device described above makes it possible to inject good quality fuel mixture at high frequencies (greater than 100 Hz), and this for very small upstream-downstream pressure differences, down to at 0.1 bar.
  • the maximum opening of the injection orifice 3 also constitutes an important parameter, since it regulates the speed of the air flow, and it has been found that the results were satisfactory when the passage section of this opening is between 20% and 80% of the straight section of total passage of the injection prechamber. It has also been discovered that the nozzle allows much greater latitude in determining the timing of the injection of liquid fuel into the prechamber.
  • the outlet edge 12 of the nozzle is swept by a flow of air passing inside the nozzle (Arrows 14 in FIG. 2) and by a flow of air passing through the outside of the nozzle (Arrows 15 in Figure 2). It is also important that the injection member (s) 8 direct the fuel jets onto the internal walls of the nozzle.
  • Figure 3 is shown a type of nozzle which has brought substantial improvements to the quality of the injected mixture.
  • This nozzle is characterized in that its portion on the side of the gas outlet is evacuated over a certain length and that the outlet diameter is larger than the inlet diameter.
  • Figures 4 and 5 show, by way of comparison, iso-consumption maps of an engine powered by pneumatic direct injection, with (Fig. 4) and without (Fig. 5) injection nozzle.
  • Consumption is expressed in grams per horse per hour, the correspondence between the references and the consumption is as follows: AREA REFERENCE CONSUMPTION RANGE IN GRAM BY HORSE AND BY HOUR C1 less than 190 C2 between 190 and 200 C3 between 200 and 210 C4 between 210 and 220 C5 between 220 and 250 C6 between 250 and 300 C7 more than 300.
  • FIGS. 4 and 5 shows the clear improvement brought by the use of the nozzle 5.

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Description

  • La presente invention concerne un dispositif destiné à améliorer la qualité du mélange carburé que délivre un système d'injection pneumatique, alimentant un moteur alternatif à combustion interne.
  • Ces moteurs sont habituellement alimentés, soit par un carburateur, soit par injection directe ou indirecte du carburant liquide. Dans le premier cas, le mélange préalable de l'air et du carburant s'effectue nettement en amont des orifices d'admission des cylindres, ce qui entraîne des inhomogénéités à la fois de la répartition du carburant dans l'air, et de la distribution du mélange entre les cylindres. Ces imperfections sont préjudiciables au rendement du moteur, d'autant plus que des pertes de mélanges à l'échappement peuvent avoir lieu lorsque le cylindre est balayé par le mélange admis (en particulier dans les moteurs 2 temps). Enfin, le dosage du carburant dans l'air devient fort délicat lorsqu'il est nécessaire d'optimiser la carburation dans le sens d'une économie d'énergie et d'une réduction des polluants.
  • L'injection directe ou indirecte du carburant liquide pallie les effets néfastes d'une mauvaise répartition entre cylindres et des pertes à l'échappement, et facilite le dosage du carburant.
  • Elle a cependant pour inconvénient de créer des inhomogénéités du mélange dans les cylindres, qui peuvent occasionner de mauvaises combustions, en particulier à haut régime.
  • Un troisième procédé est encore peu ou pas utilisé dans les moteurs alternatifs, c'est l'injection pneumatique. Ce procédé allie les avantages de l'injection liquide directe ou indirecte, et ceux de la carburation. En effet, le mélange fluide introduit est déjà un mélange carburé en partie préparé, sa distribution peut être indépendante pour chaque cylindre, et déclenchée de manière à minimiser les pertes à l'échappement.
  • L'art antérieur peut être illustré par les brevets français suivants : FR-A-563.174, FR-A-313.652, FR-A-1.037.550, FR-A-669.767 et DE-A-2.014.140.
  • L'invention proposée concerne l'agencement d'un injecteur pneumatique au moyen d'une buse destinée à améliorer le mélange air-carburant injecté.
  • Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif pour améliorer la qualité du mélange carburé que délivre un système d'injection pneumatique alimentant un moteur alternatif à combustion interne, ledit système d'injection pneumatique comportant un organe d'injection du carburant liquide débouchant dans une préchambre d'injection.
  • Ce dispositif comporte notamment au moins deux moyens de mise en vitesse du mélange carburé dont le premier comporte une buse d'injection disposée dans ladite préchambre d'injection, ladite buse d'injection comportant un bord de sortie et étant alimenté en carburant liquide par ledit organe d'injection de carburant.
  • Selon la présente invention, ladite buse d'injection comprend un manchon ouvert à ses deux bouts et comportant un étranglement dans son passage intérieur, ce manchon étant inséré dans la préchambre en ménageant un espace entre sa surface extérieure et la paroi de la préchambre et comprend le bord de sortie à son bout de sortie, un courant de gaz ainsi qu'au moins un jet de carburant liquide dudit organe d'injection débouchant dans le passage intérieur du manchon, le flux de gaz passant aussi à l'extérieur du manchon, et un organe ayant la forme générale d'une tulipe, cet organe étant disposé à la sortie de la préchambre près du bout de sortie du manchon et forme un premier orifice annulaire avec le bout de sortie du manchon et, en aval de ce premier orifice, un deuxième orifice annulaire avec la sortie de la préchambre au moins lors de la période de l'injection du mélange, l'un de ces orifices formant le deuxième moyen de mise en vitesse du mélange carburé, ladite préchambre communiquant avec la chambre de combustion du moteur.
  • La buse d'injection pourra être disposée coaxialement à ladite préchambre.
  • La buse d'injection pourra être solidaire des parois de ladite préchambre et présenter, sensiblement au niveau de son col, au moins un orifice latéral dans lequel débouche au moins un organe d'injection de carburant liquide.
  • Ledit organe ayant une forme générale de tulipe pourra correspondre à une soupape d'injection fermant et ouvrant la sortie de la préchambre, et le deuxième orifice annulaire peut être formé avec la sortie de la préchambre lors de la période de l'injection du mélange.
  • Les deuxième moyens de mise en vitesse pourront comporter un organe fixe ayant une extrémité en forme de tulipe laissant subsister une ouverture permanente, cet organe comportant une tige passant à travers la buse. La préchambre d'injection pourra être reliée à une source d'air pulsé sous pression.
  • Les deuxième moyens de mise en vitesse pourront comporter une section de passage maximale du mélange carburé comprise entre 20 % et 80 % de la section de passage de la section de passage totale de ladite chambre.
  • L'organe d'injection du carburant pourra être positionné dans la préchambre de manière à produire un jet en direction des surfaces internes de la buse.
  • Pour bien comprendre cette invention dans ses particularités et avantages, on se reportera à la description qui suit, illustrée par les figures annexées suivantes, parmi lesquelles :
    • la figure 1 montre schématiquement, en coupe, un mode de réalisation du dispositif d'injection,
    • la figure 2 illustre une variante du dispositif de la figure 1, avec une ouverture fixe,
    • les figures 3A, 3B et 3C présentent une réalisation de la buse d'injection en section longitudinale, vue de côté et vue de dessus respectivement, et
    • les figures 4 et 5 permettent de comparer les consommations mesurées d'un moteur alimenté en injection pneumatique avec et sans la buse d'injection du dispositif selon l'invention.
  • Sur les figures, la référence 1 désigne la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne alternatif dont la culasse 2 comporte un orifice d'injection 3 faisant communiquer une préchambre d'injection 4 avec la chambre 1.
  • La figure 1 représente la coupe schématique d'une réalisation d'un injecteur pneumatique équipé d'une buse améliorant substantiellement la pulvérisation du carburant, et les qualités d'homogénéité du mélange injecté. Cette buse est référencée 5, et elle est insérée dans la préchambre 4, fermée par la soupape d'injection 6, et dans laquelle débouche une arrivée 7 de gaz contenant de l'oxygène, tel de l'air, ainsi qu'un ou plusieurs injecteurs de carburant liquide, référencés 8.
  • Ceux-ci pénètrent dans la préchambre au travers d'un orifice 9 de la buse 5 et peuvent être par exemple des injecteurs électroniques ou mécaniques du commerce, utilisés couramment sur des moteurs de série. La référence 12 désigne le bord de sortie de la buse. La buse constitue un premier moyen de mise en vitesse des gaz constituant le mélange carburé. Des deuxième moyens de mise en vitesse de ces gaz peuvent être réalisée par le bord 12 de sortie de la buse et par la soupape 6 ou par cette même soupape 6 et le siège de 13 de cette soupape.
  • Les mouvements de la soupape peuvent être provoqués par des organes de commande classiques ou autres, et cette soupape commande par son ouverture l'injection effective, en établissant un flux d'air à travers la préchambre 4 et la buse 5, qui pulvérise le carburant et l'entraîne à l'extérieur de l'injecteur. Le carburant liquide pourra être introduit dans la préchambre pendant l'ouverture de la soupape, ou encore avant cette ouverture, la préchambre, faisant alors office de réserve. Toutefois, on ne sortirait pas du cadre de l'invention si le jet d'air était pulsé par un autre système que celui de la soupape, ou si le carburant était dosé et introduit dans la préchambre par un autre dispositif que des injecteurs du commerce. La buse d'injection 5 est sensiblement coaxiale à la préchambre 4 et est disposée de façon à être sensiblement obturée en même temps que l'orifice 3 par la soupape 6.
  • La figure 2 représente un mode de réalisation comportant un organe fixe 10 ayant la forme générale d'une tulipe et associé à la buse 5 qui est solidaire de sa tige 11.
  • Cet organe est monté de manière à laisser l'orifice d'injection 3 ouvert en permanence, le processus d'injection alternatif étant assuré par un débit d'air pulsé sous pression à travers la canalisation 7. Ce mode de réalisation est particulièrement bien adapté pour un système d'injection indirect. Il pourra être logé dans la culasse ou ailleurs, par exemple dans les tubulures d'admission.
  • L'orifice d'injection peut servir de deuxième moyen de mise en vitesse du mélange carburé. De même, ces deuxièmes moyens pourront être constitués par le passage défini par le bord 12 de sortie de la buse 5 et la tulipe 10.
  • Ce mode de réalisation permet notamment de s'affranchir d'un système de commande de soupapes d'injection. Il est cependant nécessaire de prévoir des moyens 16 pour empêcher le reflux des gaz lors des phases de combustion. Ceci peut être réalisé par l'utilisation de clapet anti-retour.
  • Equipé de la buse d'injection le dispositif décrit ci-dessus permet d'injecter du mélange carburé de bonne qualité à des fréquences élevées (supérieures à 100 Hz), et ceci pour des différences de pression amont-aval très faibles, descendant jusqu'à 0,1 bar.
  • L'ouverture maximale de l'orifice d'injection 3 constitue aussi un paramètre important, car elle régule la vitesse du flux d'air, et il a été découvert que les résultats étaient satisfaisants lorsque la section de passage de cette ouverture est comprise entre 20% et 80% de la section droite de passage total de la préchambre d'injection. Il a été aussi découvert que la buse permettait une beaucoup plus grande latitude pour fixer le moment de l'injection du carburant liquide dans la préchambre.
  • On ne sortirait cependant pas du cadre de l'invention en remplaçant la soupape 6 par un autre type d'organe d'obturation périodique.
  • Selon la présente invention, il est important que le bord de sortie 12 de la buse soit balayé par un flux d'air passant à l'intérieur de la buse (Flèches 14 sur la figure 2) et par un flux d'air passant à l'extérieur de la buse (Flèches 15 sur la figure 2). Il est également important que le ou les organes d'injection 8 dirige les jets de carburant sur les parois internes de la buse.
  • Sur la figure 3 est représenté un type de buse qui a apporté des améliorations substantielles à la qualité du mélange injecté. Cette buse se caractérise par ce que sa portion du côté de la sortie des gaz est évacuée sur une certaine longueur et que le diamètre de sortie est plus grand que le diamètre d'entrée.
  • Les figures 4 et 5 montrent, à titre de comparaison, des cartes d'isoconsommation d'un moteur alimenté par injection directe pneumatique, avec (Fig. 4) et sans (Fig. 5) buse d'injection.
  • Sur ces figures, on a porté en abscisses le régime N du moteur en tours/minute et en ordonnées la puissance P en chevaux du moteur.
  • La consommation est exprimée en grammes par cheval et par heure, la correspondance entre les références et les consommations est la suivante :
    REFERENCE DE LA ZONE PLAGE DE CONSOMMATION EN GRAMME PAR CHEVAL ET PAR HEURE
    C₁ moins de 190
    C₂ entre 190 et 200
    C₃ entre 200 et 210
    C₄ entre 210 et 220
    C₅ entre 220 et 250
    C₆ entre 250 et 300
    C₇ plus de 300.
  • La comparaison des figures 4 et 5 montre la nette amélioration apportée par l'utilisation de la buse 5.

Claims (7)

  1. Dispositif pour améliorer la qualité du mélange carburé que délivre un système d'injection pneumatique alimentant un moteur alternatif à combustion interne, ledit système d'injection pneumatique comportant un organe d'injection du carburant liquide débouchant dans une préchambre d'injection qui communique avec la chambre de combustion du moteur, au moins deux moyens de mise en vitesse du mélange carburé dont le premier comporte une buse d'injection (5) disposée dans ladite préchambre d'injection (4), ladite buse d'injection comprend un manchon ouvert à ses deux bouts et comportant un étranglement dans son passage intérieur, ce manchon étant inséré dans la préchambre en ménageant un espace entre sa surface extérieure et la paroi de la préchambre et comprend un bord de sortie (12) à son bout de sortie, un courant de gaz ainsi qu'au moins un jet de carburant liquide dudit organe d'injection débouchant dans le passage intérieur du manchon, le flux de gaz passant aussi à l'extérieur du manchon, caractérisé par un organe ayant la forme générale d'une tulipe, cet organe étant disposé à la sortie de la préchambre près du bout de sortie du manchon et forme un premier orifice annulaire avec le bout de sortie du manchon et, en aval de ce premier orifice, un deuxième orifice annulaire avec la sortie de la préchambre au moins lors de la période de l'injection du mélange, l'un de ces orifices formant le deuxième moyen de mise en vitesse du mélange carburé.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite buse d'injection est disposée coaxialement à ladite préchambre (4).
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite buse d'injection (5) est solidaire des parois de ladite préchambre (4) et présente, sensiblement au niveau de son col, au moins un orifice latéral (9) dans lequel débouche au moins un organe (8) d'injection de carburant liquide.
  4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit organe ayant une forme générale de tulipe correspond à une soupape d'injection (6) fermant et ouvrant la sortie de la préchambre, et le deuxième orifice annulaire est formé avec la sortie de la préchambre lors de la période de l'injection du mélange.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit organe ayant une forme générale de tulipe est un organe fixe dont l'extrémité (10) en forme de tulipe laisse subsister une ouverture permanente, ledit organe comportant une tige passant à travers ladite buse et en ce que ladite préchambre d'injection (4) est reliée à une source d'air pulsé sous pression.
  6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits deuxième moyens de mise en vitesse comportent une section de passage maximale du mélange carburé comprise entre 20 % et 80 % de la section de passage totale de ladite chambre.
  7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe d'injection du carburant est positionné dans ladite préchambre de manière à produire un jet en direction des surfaces internes de ladite buse.
EP85402627A 1984-12-28 1985-12-24 Dispositif pour améliorer la qualité du mélange carburé délivré par un système d'injection pneumatique Expired - Lifetime EP0189714B1 (fr)

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FR8420057 1984-12-28

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EP0189714A1 EP0189714A1 (fr) 1986-08-06
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