EP0791130B1 - 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 Download PDF

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EP0791130B1
EP0791130B1 EP96927080A EP96927080A EP0791130B1 EP 0791130 B1 EP0791130 B1 EP 0791130B1 EP 96927080 A EP96927080 A EP 96927080A EP 96927080 A EP96927080 A EP 96927080A EP 0791130 B1 EP0791130 B1 EP 0791130B1
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Jacques Lavy
Stéphane Venturi
Xavier Montagne
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M9/00—Lubrication means having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01M1/00 - F01M7/00
    • 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
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • 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, especially those operating in auto-ignition.
  • the present invention applies to motors which, for their operation, consume a known and controlled amount of oil, used for its lubricating properties.
  • Oil consumption can also be linked to fuel consumption according to a certain ratio.
  • Motors operating in this way are for example: motors two-stroke petrol and pump housing, lubricated with lost oil, the oil being able to then be introduced to the intake or mixed with the fuel in a proportion recommended by the manufacturer.
  • wet sump four-stroke type crankcase
  • This consumption can be obtained by controlled leakage of the lubricating oil into the combustion chamber via for example a relative seal at the level of segmentation.
  • the dosage of oil consumed by the engine and introduced in a controlled manner in the combustion chamber of an engine is not limited to two-stroke engines, since we know of work on the four-stroke dry sump engine serving air boost pump 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 type of specific engine according to specifications established by the manufacturers of engines and lubricants manufacturers. For example, for two-stroke engines, low-end and very inexpensive commercial oils are available for two-wheeled applications with very little pushing (moped). Other lubricants are available for high-performance applications (motorcycles), others still for marine applications (outboard).
  • 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 improve the quality of combustion according to one or more criteria of quality such as, for example, the minimum emission of polluting substances, the best performance, best cyclical regularity, cleanliness, ....
  • additives are mixed with the fuel and are then intended for specific functions such as the reduction of pollutants, reduction of soot formation, regeneration of filters placed at 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 solution and extremely simple additive feed to the combustion chamber of engines, for specific applications, the additive not being mixed initially fuel but lubricant.
  • the invention relates to a method of introduction and metering additives in the combustion chamber of an internal combustion engine consuming a known and controlled quantity of lubricant in the chamber, process according to which the lubricant consumed comprises at least one additive intended to promote the combustion of an engine operating in controlled self-ignition and to obtain a operation over a wider engine speed and / or load range.
  • the additive lubricant is mixed to fuel by the user.
  • the lubricant additive is introduced at the engine intake by a specific dosing means.
  • a particular application of the invention relates to two-stroke engines with pump housing lubricated by lost oil.
  • the engine to which the invention applies can be a two-stroke engine having an external compressor, the lubricant consumption of which is obtained by leaks controlled via engine segmentation.
  • the engine can be a four-stroke engine with pump housing lubricated by lost oil.
  • the dosage of the lubricant can be controlled electronically based on parameters such as the speed, load, presence or not of rattling, operation or not in auto-ignition ...
  • This characteristic therefore allows indirect electronic control of the quantity of additive introduced into the combustion chamber, via electronic dosing 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 apply it to an engine in which consumption said lubricant is controlled by an appropriate metering means (dosing pump, leak calibrated, ).
  • the lubricant according to the invention can precisely comprise the quantity additives that may have been required to participate in the smooth running of the combustion.
  • the invention consists in adding the lubricant of a two-stroke engine so as to promote its auto-ignition operation 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 P max corresponding to the maximum power developed by the motor.
  • FIG. 1 shows the operating range of a known two-stroke engine, subject for example of patent application FR 2 649 157 filed in the name of this applicant.
  • This known motor has been designed to have a zone (1) of operation in Self-ignition as wide as possible towards 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 about 10% of additives promoting the self-ignition process control.
  • This additivation of the lubricant according to the invention allows, in this example, extend the self-ignition operating zone to speeds 100 to 200 lower revolutions / minutes. Indeed while in known engines (Figure 1) self-ignition existed for engine speeds greater than around 1700 rpm, according to the invention ( Figure 2) self-ignition appears from 1500 revolutions / minute, equal engine power.
  • Parameters related to engine operation such as the rate of compression, internal aerodynamics and stratification of fresh gas / burnt gas, temperature and pressure in the cylinder at the start of compression, ... are known as having a strong influence on the auto-ignition operation and on the extent of the speed range and load where it is obtained.
  • Fuel parameters, composition, physico-chemical characteristics, (octane, cetane number, formulation of additives, ...) can also have an influence on this combustion.
  • certain additives introduced into the fuel make it possible to extend this zone of auto-ignition operation at low revs with the objective of going up obtain auto-ignition at engine idle speed.
  • the introduction of these same additives in a form mixed with the lubricant according to the invention makes it possible to obtain so very simply the same effects.
  • the extension of the self-ignition operating zone is particularly interesting and sought after because it avoids combustion irregularities, typical in particular of the two-stroke engine at low load and low speed.
  • the additive lubricant is mixed to fuel by the user. This can be the case for two-stroke powered engines at the fuel tank with a petrol oil mixture according to a percentage determined.
  • the additive lubricant is introduced at the engine intake.
  • This can be the case for two-stroke engines so-called "separate lubrication" pump housing where the user fills two tanks, one of fuel each other with lubricant.
  • An oil dosing system can then mix this oil to the fuel just before the carburetor is supplied, or the said system can introduce this oil to the engine intake.

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Description

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 connaít 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 controlée dans la chambre de combustion d'un moteur ne se limite pas aux moteurs deux temps, puisque l'on connaít 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 paraít difficilement envisageable de disposer de carburant commercialisé et distribué déjà additivé 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 paraít pas économiquement rentable de distribuer un carburant additivé 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.
Le document US 5 330 667 décrit un additif pour lubrifiant de moteur visant à améliorer des propriétés de pouvoir détergent, de lubrification, de pouvoir anti-usure.
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 dans la chambre une quantité de lubrifiant connue et contrôlée, procédé selon lequel le lubrifiant consommé comprend au moins un additif 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 additivé est mélangé au carburant par l'utilisateur.
Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, le lubrifiant additivé 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 apparaítront 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 additivé, 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 apparaít 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 4 445 468 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...) additivés de façon à accroítre la zone de fonctionnement en auto-allumage.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le lubrifiant additivé 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 additivé 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 (8)

  1. Procédé d'introduction et de dosage d'additifs dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne consommant dans ladite chambre une quantité de lubrifiant connue et contrôlée, caractérisé en ce que le lubrifiant consommé comprend au moins un additif destiné à favoriser la combustion d'un moteur fonctionnant en auto-allumage contrôlé et à obtenir ainsi un fonctionnement sur une plage plus large de régimes et/ou de charge du moteur.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lubrifiant additivé est mélangé au carburant par l'utilisateur.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le lubrifiant additivé est introduit à l'admission du moteur, par un moyen spécifique de dosage.
  4. 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.
  5. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à un moteur deux temps dont le carter-pompe est lubrifié par huile perdue.
  6. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à un moteur deux temps à compresseur externe.
  7. Application selon la revendication 6, 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.
  8. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à un moteur quatre temps dont le carter-pompe est lubrifié par huile perdue.
EP96927080A 1995-09-08 1996-07-25 Procede d'introduction et de dosage d'au moins un additif dans la chambre de combustion d'un moteur et applications Expired - Lifetime EP0791130B1 (fr)

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