EP0791130A1 - Procede d'introduction et de dosage d'au moins un additif dans la chambre de combustion d'un moteur et applications - Google Patents

Procede d'introduction et de dosage d'au moins un additif dans la chambre de combustion d'un moteur et applications

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EP0791130A1
EP0791130A1 EP96927080A EP96927080A EP0791130A1 EP 0791130 A1 EP0791130 A1 EP 0791130A1 EP 96927080 A EP96927080 A EP 96927080A EP 96927080 A EP96927080 A EP 96927080A EP 0791130 A1 EP0791130 A1 EP 0791130A1
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lubricant
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combustion
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Pierre Duret
Jacques Lavy
Stéphane Venturi
Xavier Montagne
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
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    • F01M9/02—Lubrication means having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01M1/00 - F01M7/00 having means for introducing additives to lubricant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F01D25/162—Bearing supports
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B51/00—Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B61/00—Adaptations of engines for driving vehicles or for driving propellers; Combinations of engines with gearing
    • F02B61/04—Adaptations of engines for driving vehicles or for driving propellers; Combinations of engines with gearing for driving propellers
    • F02B61/045—Adaptations of engines for driving vehicles or for driving propellers; Combinations of engines with gearing for driving propellers for marine engines

Definitions

  • the present invention relates to the field of internal combustion engines, in particular those operating in self-ignition.
  • the present invention applies to engines which, for their operation, consume a known and controlled quantity of oil, used for its lubricating properties.
  • Engines are known, for example, with oil consumption regulated as a function of engine operating parameters, such as load or speed; Oil consumption can also be linked to fuel consumption in a certain ratio. Engines operating in this way are for example: two-stroke petrol and pump-crankcase engines, lubricated with lost oil, the oil then being able to be introduced at the intake or else mixed with the fuel in a proportion recommended by the manufacturer.
  • wet sump four-stroke type sump
  • This consumption can be obtained by a controlled leak of the lubricating oil in the combustion chamber via, for example, a relative seal at the level of the segmentation.
  • the dosage of oil consumed by the engine and introduced in a controlled manner into the combustion chamber of an engine is not limited to two-stroke engines, since work is known on the four-stroke dry sump engine serving as a pump. supercharging of air and also lubricated by lost oil.
  • lubricants For these different engines, a very large number of lubricants are available on the commercial market. Each lubricant responds to a particular type of engine according to specifications established by engine manufacturers and lubricant manufacturers. For example, for two-stroke engines, low-end and very inexpensive commercial oils are available for very light two-wheel applications (moped). Other lubricants are available for high-performance applications (motorcycles), yet others for marine applications (outboards). These various examples show that each lubricant is intended for a given specific motorization.
  • the lubricant when the lubricant is thus consumed in a controlled manner and therefore participates in the combustion of the engine, it can according to the invention be loaded with additives which will make it possible to improve the quality of combustion according to one or more quality criteria such as , for example, the minimum emission of polluting substances, the best efficiency, the best cyclical regularity, cleanliness, ....
  • additives are mixed with the fuel and are then intended for specific functions such as reducing pollutant emissions, reducing the formation of soot, the regeneration of filters placed in the exhaust, detergency.
  • the document FR 2 702 009, the patent US 4 621 593 or the document EP 269 228 disclose different methods for adding fuel to an engine.
  • the object of the invention is therefore to propose a new and extremely simple solution for supplying additives to the combustion chamber of engines, for specific applications, the additive not being mixed initially with the fuel but with the lubricant.
  • the invention relates to a method of introducing and metering additives into the combustion chamber of an internal combustion engine consuming a known and controlled quantity of lubricant, method according to which the lubricant consumed comprises at least one additive intended to improve the quality of combustion in said chamber.
  • the additive is intended to promote the combustion of an engine operating in controlled self-ignition and to obtain operation over a wider range of engine speed and / or load.
  • the additive lubricant is mixed with the fuel by the user.
  • the additive lubricant is introduced at the intake of the engine by a specific metering means.
  • a particular application of the invention relates to two-stroke engines with a crankcase pump lubricated by lost oil.
  • the engine to which the invention applies can be a two-stroke engine having an external compressor, the consumption of lubricant of which is obtained by controlled leaks via the segmentation of the engine.
  • the engine may be a four-stroke engine with a lost oil-lubricated pump housing.
  • the dosage of the lubricant can be controlled by electronic means as a function of parameters such as the speed, the load, the presence or not of rattling, the operation or not in auto ⁇ ignition ...
  • This characteristic therefore allows indirect electronic control of the quantity of additive introduced into the combustion chamber, via the electronic dosing of the lubricant.
  • the process according to the invention therefore consists in using an additive lubricant, the formulation of the additive (s) being determined to obtain the required effect on the quality of combustion, and in applying it to an engine in which the consumption of said lubricant is controlled by an adequate metering means (dosing pump, calibrated leak, ).
  • the lubricant according to the invention can precisely comprise the quantity of additives which could have been required to participate in the smooth running of the combustion.
  • a particularly advantageous example of application of the process according to the invention consists in adding the lubricant of a two-stroke engine so as to promote its operation in self-ignition by extending the operating area of the engine according to this self-ignition process.
  • Figures 1 and 2 show curves of the engine power W as a function of their speed RM. In each of these figures we can see the curve Pmax corresponding to the maximum power developed by the motor.
  • FIG. 1 shows the operating range of a known two-stroke engine, which is the subject, for example, of patent application FR 2 649 157 filed in the name of the present applicant.
  • This known engine has been designed to have the widest possible self-ignition operating zone (1) at low revs and low loads.
  • Figure 2 shows the same engine operating range when the lubricant consumed by the engine (in a ratio of approximately 2% of the fuel consumed) contains approximately 10% of additives promoting the controlled self-ignition process.
  • This additivation of the lubricant according to the invention makes it possible, in this example, to extend the operating zone in self-ignition towards speeds 100 to 200 revolutions / minutes lower. Indeed, while in known engines (FIG. 1) self-ignition existed for engine speeds greater than around 1,700 rpm, according to the invention (FIG. 2) self-ignition appears from 1,500 rpm, at equal engine power.
  • Parameters related to the operation of the engine such as the compression ratio, the internal aerodynamics and the stratification of fresh gas / burnt gas, the temperature and the pressure in the cylinder at the start of compression, ... are known to have a high influence on the auto-ignition operation and on the extent of the speed and load range where it is obtained.
  • the extension of the self-ignition operating zone is particularly interesting and sought after because it makes it possible to avoid combustion irregularities, typical in particular of the two-stroke engine at low load and low speed.
  • the additive lubricant is mixed with the fuel by the user. This may be the case for two-stroke engines supplied at the fuel tank with a petrol-oil mixture according to a predetermined percentage.
  • the additive lubricant is introduced at the intake of the engine.
  • This can be the case of two-stroke engines with pump housing called "separate lubrication" where the user fills two tanks, one with fuel the other with lubricant.
  • An oil metering system can then mix this oil with the fuel just before feeding the carburetor, or else said metering system can introduce this oil to the engine intake.

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Description

PROCEDE D'INTRODUCTION ET DE DOSAGE D'AU MOINS UN ADDITIF DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION D'UN MOTEUR ET APPLICATIONS
La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne, notamment ceux fonctionnant en auto-allumage.
Plus particulièrement la présente invention s'applique aux moteurs qui, pour leur fonctionnement, consomment une quantité connue et contrôlée d'huile, utilisée pour ses propriétés lubrifiantes.
On connaît par exemple des moteurs ayant une consommation d'huile régulée en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur, tels que la charge ou le régime ; La consommation d'huile peut aussi être liée à la consommation de carburant selon un certain ratio. Des moteurs fonctionnant ainsi sont par exemple : les moteurs deux temps à essence et à carter-pompe, lubrifiés par huile perdue, l'huile pouvant alors être introduite à l'admission ou bien mélangée au carburant selon une proportion préconisée par le constructeur.
Il existe aussi des moteurs deux temps essence ou Diesel dits "à carter humide" (carter de type quatre temps) pour lesquels une consommation d'huile contrôlée permet la lubrification de l'ensemble piston-chemise. Cette consommation peut être obtenue par une fuite contrôlée de l'huile de lubrification dans la chambre de combustion via par exemple une étanchéité relative au niveau de la segmentation.
Il est aussi connu d'introduire du lubrifiant dans l'air d'admission fourni par un compresseur ou un turbo-compresseur.
Le dosage d'huile consommée par le moteur et introduite de façon contrôlée dans la chambre de combustion d'un moteur ne se limite pas aux moteurs deux temps, puisque l'on connaît des travaux sur le moteur quatre temps à carter sec servant de pompe de suralimentation en air et lubrifiés eux-aussi par huile perdue.
Pour ces différentes motorisations, un très grand nombre de lubrifiants sont disponibles sur le marché commercial. Chaque lubrifiant répond à un type de motorisation particulier suivant un cahier des charges établi par les constructeurs de moteurs et les fabriquants de lubrifiants. Par exemple, pour les moteurs deux temps, des huiles commerciales bas de gamme et très bon marché sont disponibles pour des applications deux roues très peu poussées (cyclomoteur). D'autres lubrifiants sont disponibles pour des applications performantes (motocycles), d'autres encore pour des applications marines (hors-bord). Ces différents exemples montrent que chaque lubrifiant est destiné à une motorisation spécifique donnée.
De plus, lorsque le lubrifiant est ainsi consommé de façon contrôlée et donc participe à la combustion du moteur, il peut suivant l'invention être chargé en additifs qui vont permettre d'améliorer la qualité de la combustion suivant un ou des critères de qualité comme, par exemple, le minimum d'émissions de substances polluantes, le meilleur rendement, la meilleure régularité cyclique, la propreté,... .
Habituellement de tels additifs sont mélangés au carburant et sont alors destinés à des fonctions spécifiques telles que la réduction des émissions de polluants, la réduction de la formation des suies, la régénération de filtres placés à l'échappement, la détergence.
Le document FR 2 702 009, le brevet US 4 621 593 ou le document EP 269 228 divulguent différentes méthodes pour additiver le carburant d'un moteur.
Toutefois il paraît difficilement envisageable de disposer de carburant commercialisé et distribué déjà additive lorsque l'additif requis n'est pas nécessaire pour l'ensemble d'un parc de véhicules, mais serait nécessaire seulement et spécifiquement pour une partie d'un parc de véhicules en circulation.
Si l'on peut envisager la distribution commerciale de carburants comportant des additifs anti-encrassement par exemple, par contre, il ne paraît pas économiquement rentable de distribuer un carburant additive qui serait spécifiquement adapté aux deux roues à moteur deux temps, aux moteurs marins hors-bord.
L'objet de l'invention est donc de proposer une solution nouvelle et extrêmement simple d'alimentation en additifs de la chambre de combustion de moteurs, pour des applications spécifiques, l'additif n'étant pas mélangé initialement au carburant mais au lubrifiant.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé d'introduction et de dosage d'additifs dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne consommant une quantité de lubrifiant connue et contrôlée, procédé selon lequel le lubrifiant consommé comprend au moins un additif destiné à améliorer la qualité de la combustion dans ladite chambre.
De façon particulière, l'additif est destiné à favoriser la combustion d'un moteur fonctionnant en auto-allumage contrôlé et à obtenir un fonctionnement sur une plage plus large de régime et/ou de charge du moteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le lubrifiant additive est mélangé au carburant par l'utilisateur. Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, le lubrifiant additive est introduit à l'admission du moteur par un moyen de dosage spécifique.
Une application particulière de l'invention vise les moteurs deux temps à carter- pompe lubrifié par huile perdue. Le moteur auquel s'applique l'invention peut être un moteur deux temps ayant un compresseur externe, dont la consommation de lubrifiant est obtenue par des fuites contrôlées via la segmentation du moteur.
Sans sortir du cadre de l'invention, le moteur peut être un moteur quatre temps à carter-pompe lubrifié par huile perdue. Selon une caractéristique intéressante de l'invention, le dosage du lubrifiant peut être contrôlé par des moyens électroniques en fonction de paramètres tels que le régime, la charge, la présence ou non de cliquetis, le fonctionnement ou non en auto¬ allumage...
Cette caractéristique autorise donc un contrôle électronique indirect de la quantité d'additif introduite dans la chambre de combustion, via le dosage électronique du lubrifiant.
D'autres avantages, détails et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 montre des courbes définies par la puissance d'un moteur à auto¬ allumage en fonction de son régime, selon l'art antérieur; et - La figure 2 montre des courbes déterminées par la puissance d'un moteur à auto¬ allumage en fonction de son régime, selon l'invention.
Le procédé suivant l'invention consiste donc à utiliser un lubrifiant additive, la formulation du ou des additifs étant déterminées pour obtenir l'effet requis sur la qualité de la combustion, et de l'appliquer à un moteur dans lequel la consommation dudit lubrifiant est contrôlée par un moyen de dosage adéquat (pompe doseuse, fuite calibrée, ...). Ainsi connaissant la quantité de lubrifiant et de carburant participant à la combustion, le lubrifiant selon l'invention peut précisément comporter la quantité d'additifs qui auraient pu être requis pour participer au bon déroulement de la combustion.
Un exemple particulièrement avantageux d'application du procédé suivant l'invention consiste à additiver le lubrifiant d'un moteur deux temps de façon à favoriser son fonctionnement en auto-allumage en étendant la zone de fonctionnement du moteur suivant ce procédé d'auto-allumage. Les figures 1 et 2 présentent des courbes de la puissance moteur W en fonction de leur régime RM. Sur chacune de ces figures on peut voir la courbe Pmax correspondant à la puissance maximale développée par le moteur.
La figure 1 montre la plage de fonctionnement d'un moteur deux temps connu, objet par exemple de la demande de brevet FR 2 649 157 déposée au nom du présent demandeur.
Ce moteur connu a été conçu pour avoir une zone (1) de fonctionnement en auto-allumage la plus étendue possible vers les bas régimes et les faibles charges.
La figure 2 montre la même plage de fonctionnement du moteur lorsque le lubrifiant consommé par le moteur (dans un ratio d'environ 2 % du carburant consommé) contient environ 10 % d'additifs favorisant le processus d'auto-allumage contrôlé. Cette additivation du lubrifiant selon l'invention permet, dans cet exemple, d'étendre la zone de fonctionnement en auto- allumage vers des régimes 100 à 200 tours/minutes inférieurs. En effet alors que dans les moteurs connus (figure 1) l'auto- allumage existait pour des régimes moteur supérieurs à environ 1700 tours/minutes, selon l'invention (figure 2) l'auto-allumage apparaît dès 1500 tours/minutes, à puissance moteur égale.
Il est connu dans le cas du moteur deux temps en particulier (bien que l'application au quatre temps ne soit pas inenvisageable) un mode de combustion particulier où le moteur peut fonctionner en auto-allumage. Le brevet US 4445 468 décrit un exemple d'un tel moteur.
Les travaux des chercheurs montrent que ce type de combustion est obtenue à faible charge et régime plutôt élevés.
Des paramètres liés au fonctionnement du moteur, comme le taux de compression, l'aérodynamique interne et la stratification gaz frais/gaz brûlés, la température et la pression dans le cylindre au début de la compression, ...sont connus comme ayant une forte influence sur le fonctionnement en auto-allumage et sur l'étendue de la plage de régime et charge où il est obtenu.
Les paramètres liés au carburant, composition, caractéristiques physico- chimiques, (indice d'octane, de cétane, formulation des additifs,...) peuvent aussi avoir une influence sur cette combustion. En particulier, des travaux récents montrent que certains additifs introduits dans le carburant permettent d'étendre cette zone de fonctionnement en auto-allumage vers les bas régimes avec l'objectif d'aller jusqu'à obtenir l'auto-allumage au régime de ralenti du moteur. L'introduction de ces mêmes additifs sous une forme mélangée au lubrifiant suivant l'invention permet d'obtenir ainsi de façon très simple les mêmes effets.
L'extension de la zone de fonctionnement en auto-allumage est particulièrement intéressante et recherchée car elle permet d'éviter les irrégularités de combustion, typiques notamment du moteur deux temps à faible charge et bas régime.
Ainsi on réduit très fortement (d'environ 60 %) les émissions d'hydrocarbures imbrûlés, on améliore le rendement et la consommation de carburant, et on rend la combustion particulièrement stable d'un cycle à l'autre.
De façon particulièrement avantageuse, il peut donc être envisagé selon l'invention de commercialiser des lubrifiants pour moteurs deux temps (deux roues, hors-bord...) additives de façon à accroître la zone de fonctionnement en auto¬ allumage.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le lubrifiant additive est mélangé au carburant par l'utilisateur. Cela peut être le cas des moteurs deux temps alimentés au niveau du réservoir de carburant par un mélange essence huile suivant un pourcentage déterminé.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le lubrifiant additive est introduit à l'admission du moteur. Cela peut être le cas des moteurs deux temps à carter-pompe dits à "graissage séparé" où l'utilisateur remplit deux réservoirs, l'un de carburant l'autre de lubrifiant. Un système de dosage de l'huile peut alors mélanger cette huile au carburant juste avant l'alimentation du carburateur, ou bien ledit système de dosage peut introduire cette huile à l'admission du moteur.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé d'introduction et de dosage d'additifs dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne consommant une quantité de lubrifiant connue et contrôlée, caractérisé en ce que le lubrifiant consommé comprend au moins un additif destiné à améliorer la qualité de la combustion dans ladite chambre.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additif est destiné à favoriser la combustion d'un moteur fonctionnant en auto-allumage contrôlé et à obtenir un fonctionnement sur une plage plus large de régimes et/ou de charge du moteur. 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le lubrifiant additive est mélangé au carburant par l'utilisateur.
4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le lubrifiant additive est introduit à l'admission du moteur, par un moyen spécifique de dosage. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dosage du lubrifiant est contrôlé par des moyens électroniques en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur tels que le régime, la charge, la présence ou non de cliquetis, le fonctionnement en auto-allumage.
6) Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à un moteur deux temps dont le carter-pompe est lubrifié par huile perdue.
7) Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 à un moteur deux temps à compresseur externe.
8) Application selon la revendication 7, caractérisée en ce que la consommation de lubrifiant est réalisée par des fuites contrôlées du lubrifiant dans la chambre de combustion, via les segments du cylindre.
9) Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 à un moteur quatre temps dont le carter-pompe est lubrifié par huile perdue.
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