FR2517745A1 - Perfectionnements au cycle d'alimentation des moteurs diesel de type hypersuralimentes et moyens en permettant la mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A DES PERFECTIONNEMENTS AU CYCLE D'ALIMENTATION DES MOTEURS DIESEL DE TYPE HYPERSURALIMENTES ET A DES MOYENS PERMETTANT LA MISE EN OEUVRE DE CES PERFECTIONNEMENTS. SELON L'INVENTION, ON AUGMENTE LE TAUX DE COMPRESSION DU MOTEUR ET, SELON LA CHARGE APPLIQUEE, ON MODIFIE L'AVANCE A L'INJECTION DE FACON A NE JAMAIS DEPASSER LA PRESSION MAXIMALE AUTORISEE ET CHOISIR LE MEILLEUR DIAGRAMME DE FONCTIONNEMENT THERMODYNAMIQUE. DE PREFERENCE, ON UTILISE A CET EFFET UN INJECTEUR-POMPE COMMANDE DIRECTEMENT PAR UN ARBRE A CAMES 12, 13 ET DONT LA TETE DE PISTON 22 COMPORTE DEUX RAMPES HELICOIDALES 27, 28 PERMETTANT DE MODIFIER PAR UN REGLAGE EN ROTATION DU PISTON L'AVANCE ET LA QUANTITE DE COMBUSTIBLE INJECTE SELON LA CHARGE APPLIQUEE. L'INVENTION S'APPLIQUE PLUS PARTICULIEREMENT AUX MOTEURS DIESEL DE TYPE HYPERSURALIMENTES.

Description

La présente invention a pour objet des perfectionnements au cycle d'alimentation des moteurs Diesel de type hypersuralimentés.

On sait que pour améliorer les performances de certains moteurs Diesel, en particulier de forte puissance, on suralimente ces moteurs sous une pression relativement importante, par exemple de 4,75 bars. Le taux de compression du moteur est relativement bas, habituellement voisin de 8,5 et la combustion à pleine charge se fait selon un cycle mixte, partie à volume constant et partie à pression constante avec une avance de l'injection par rapport au point mort haut qui est habituellement voisine de 200.

Le problème de la combustion dans de tels moteurs est complexe, et le choix du cycle résulte d'un compromis entre des objectifs contradictoires. Les problèmes essentiels qui se posent et la façon dont ils sont résolus sont les suivants
a) pour éviter la détérioration du moteur, il faut éviter que la pression dans le moteur ne dépasse la pression maximale autorisée qui peut être par exemple voisine de 140 bars
b) le cycle de combustion à volume constant correspond au meilleur rendement thermodynamique.Cependant, il ne peut en pratique être utilisé, en particulier à pleine charge, car, même avec des taux de compression réduits, la pression maximale autorisée serait largement dépassée au voisinage du point mort haut
c) le choix du cycle de combustion à pression constante, limitée à la pression maximale autorisée dans les moteurs, permet effectivement d'éviter de soumettre le moteur à des contraintes prohibitives ; on en limite autant que faire se peut l'utilisation, du fait du médiocre rendement de fonctionnement de ce cycle, en évitant d'augmenter trop le taux de compression et en réglant l'avance à l'injection à une valeur moyenne habituellement de l'ordre de 20 à 250 pour des taux de compression voisins de 8.

Ces choix technologiquesentrainent cependant des inconvénients sérieux, parmi lesquels on doit mentionner en première ligne des difficultés de démarrage à froid et un rendement de fonctionnement inférieur à celui que lton pourrait souhaiter atteindre.

L'objet de l'invention est de résoudre les difficultés susmentionnées.

A cet effet, conformément à l'invention, en vue d'améliorer le démarrage à froid et le rendement de fonctionnement du moteur, on augmente le taux de compression du moteur et l'on empêche la pression maximale de fonctionnement de dépasser la valeur limite autorisée en utilisant une avance progressive contro- lée selon la charge du moteur, allant d'une valeur réduite aux fortes charges vers une valeur normale aux charges partielles et réduites. Par exemple, l'avance ira d'environ 0 pour le régime à pleine charge jusqu'à environ 200 pour un régime à chargé réduite.

L'augmentation des taux de compression va à l'encontre de la solution adoptée selon l'art antérieur de réduire le taux de compression pour éviter de dépasser lors de l'allumage la pression maximale limite-autorisée. L'augmentation du taux de compression est bénéfique et très efficace au niveau du démarrage à froid, étant donné que par suite de l'augmentation de ce taux, la compression adiabatique des gaz dans le cylindre moteur faite à une pression augmentée accroit considérablement la température du mélange combustible. A cet effet, on fera passer par exemple le taux de compression de 8,5, valeur maximale habituellement retenue,à 11,6,taux de compression qui assurera des démarrages à froid aisés.

Cependant, si l'on ne prenait pas de mesures particulières pour éviter de dépasser la pression maximale de fonctionnement autorisée, le moteur ne résisterait pas à de telles conditions de fonctionnement. Comme expliqué ci-dessus, o évite le dépassement de la pression maximale de fonctionnant autorisée en réduisant l'avance, ce qui modifie le diagramme du cycle en le déplaçant du cycle mixte au cycle de combustion à pression constante. Il existe un léger inconvénient à cela, à savoir que le rendement de ce cycle est moins bon que le cycle mixte (et a fortiori que le cycle à volume constant qui ne peut cependant être utilisé dans la pratique).En fait, pour les chiffres susindiqués, on aura une perte de rendement de l'ordre de 5 % par rapport au cycle mixte correspondant ; cependant, l'augmentation du taux de compression aura amené une augmentation de rendement de l'ordre de 10 %, de sorte que l'opération sera finalement bénéficiaire (de l'ordre de 5 % environ).

Cependant, si les deux seules mesures ci-dessus préconisées étaient utilisées, on perdrait à charge partielle de fonctionnement plusieurs points de rendement du fait de l'adoption du cycle de combustion à pression constante en lieu et place du cycle de fonctionnement mixte, voire à volume constant adopté selon l'art antérieur pour de tels régimes de fonctionnement en charge partielle. Cette difficulté est évitée en usant-selon l'invention d'une troisième mesure, à savoir la modification progressive et contrôlée selon la charge du moteur de l'avance à l'injection, permettant de retrouver progressivement à charge partielle le cycle de fonctionnement mixte, puis ensuite le cycle de fonctionnement à volume constant.

En fait, et comme il apparaîtra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre, l'invention permet d'adopter à chaque instant de façon précise le cycle de fonctionnement le plus approprié dans un moteur Diesel hypersuralimenté dont le taux de compression a été considérablement augmenté, et cela sans dépasser jamais la pression maximale de fonctionnement autorisée.

Pour la mise en oeuvre de l'invention, on prévoit d'autre part des moyens particuliers précis de contrôle et de commande des instants durant lesquels s'effectue l'injection, c 'est-à- dire de commande et de contrôle des moments précis où se fait l'injection et des quantités précises de carburant injectées.

Dans les dessins annexés
- la figure 1 est un diagramme montrant schématiquement et quelque peu théoriquement la modification par rapport à l'art antérieur du cycle de fonctionnement adopté selon l'invention
- les figures 2, 3 et 4 sont des schémas indiquant un moyen préféré de commande de contrôle progressive de l'avance et des quantités de carburant injectées en fonction de la charge du moteur
- la figure 5 est une vue développée du piston de l'injecteur à commande progressive schématisé aux figures 2 à 4
- la figure 6 est une vue en coupe longitudinale simplifiée montrant les organes essentiels de commande de l'injecteur schématisé aux figures 2 à 5.

En se reportant tout d'abord à la figure 1, on a repéré, dans un diagramme classique, volume porté en abscisses et pression portée en ordonnées, le diagramme ABCDE de fonctionnement d'un moteur Diesel hypersuralimenté par exemple sous une pression de suralimentation égale à.4,75 bars. Le diagramme ABCDEA correspond à la courbe de fonctionnement théorique à pleine charge.

Entre les points A et B, on se déplace sur une courbe isentropique sous l'effet de la seule compression de l'air d'admission entre le volume maximal du cylindre vM et le volume minimal (atteint au point mort haut) vm0. Entre les points B et C s'effectue une augmentation de pression à volume constant due au début de la combustion. La combustion se poursuit entre les points C et D situés sur l'isobare de pression PMX, par exemple de 140 bars. Entre les points D et E s'effectue la détente isentropique. Entre E et A est réalisé l'échappement.

Comme il est bien connu, cette courbe théorique est déformée dans la réalité, les angles étant arrondis, et une certaine avance à l'injection, habituellement de l'ordre de 24t, étant donnée pour permettre d'obtenir un diagramme relativement proche de ce diagramme théorique avec une partie de combustion à volume sensiblement constant au voisinage du point mort haut et une partie-à pression sensiblement constante au voisinage de la pression maximale.

A charge partielle, on injecte moins de combustible, et le diagramme se déforme. Par exemple, le diagramme ABCD'E' comprenant l'isentrope AB, l'isochore (courbe à volume constant)
BC, l'isentrope correspondant à la détente CE' et l'isochore
E'A correspondant à l'échappement. On notera que cette partie du cycle est, sur le plan des rendements, très favorable, puis qu'il s'agit ici du cycle théorique à volume constant (également appelé Beau de Rochas), thermodynamiquement le plus favorable.

Dans la pratique, le cycle est quelque peu déformé, c'est-àdire que les angles sont arrondis. L'adoption d'un tel cycle à charge partielle est possible dans la mesure où le taux de compression est réduit (voisin de 8,5 habituellement), la charge de combustible est réduite, et l'avance est suffisante (en général voisine de 240).

Conformément à l'invention, on déforme ce diagramme théorique qui devient ABC1D1E1A à pleine charge. Les déformations s'effectuent de la façon suivante.

Tout d'abord, on réalise la totalité de la compression jusqu'à la pression maximale selon l'isentrope ABC1. Le taux de compression ayant été augmenté, de préférence de 8,5 à 11,6 environ, le volume mort minimal du moteur passe de vna à vomi, ce qui est visible sur la figure par le déplacement vers la gauche par rapport au point C du point C1. Ensuite, entre les points
Cl et D1 s'effectue sur l'isobare de pression PMAX la totalité de la combustion. Le point D1 est déplacé légèrement sur la droite par rapport au point D, compte tenu de l'augmentation du taux de compression. Ensuite s'effectue la détente selon llisen- trope D1E1, qui se trouve située légèrement au-dessus du point
E. Entre El et A est réalisé l'échappement.La comparaison des deux diagrammes théoriques de l'art antérieur et de l'invention permet immédiatement de voir que le travail théorique est augmenté, comme cela résulte de la comparaison de la surface des deux diagrammes. Ainsi, malgré l'adoption d'un cycle de combustion à pression constante, le rendement du moteur est augmenté, et cela sans que l'on dépasse la pression maximale autorisée.

Pour ce faire, il ne faut pas que la combustion commence avant que l'on ait atteint le point C1, ce qui peut être réalisé de façon certaine en n'effectuant l'injection qu'avec une avance sensiblement nulle au point mort haut. Ceci sera réalisé comme il sera expliqué plus loin en adoptant divers moyens.

Pour un fonctionnement à charge partielle, le cycle est déformé, par exemple selon le diagramme ABC1D'E'. Il s'agit là encore d'un cycle de combustion à pression constante. Cependant, compte tenu de la forme très inclinée, pratiquement asymptotiques du tronçon BC1 à la direction des ordonnées, le cycle ABCA E' peut être assimilé en fait à un cycle mixte composé de I'isen- trope AB, de la quasi-isochoreBC1, de l'isobare CtD' et de l'isentrope de détente D' E'.Selon l'invention, on retrouvera effectivement ce cycle en redonnant progressivement de l'avance à l'injection, en réalisant ainsi un début de combustion à un volume sensiblement constant légèrement avant et jusqu'au point mort haut, puis la suite de la combustion à pression constante égale à la pression maximale entre les points C1 et D'1. De cette manière, à charge partielle, on met non seulement à profit l'augmentation du taux de compression, mais également le cycle de fonctionnement mixte, et charge plus réduite le cycle de fonctionnement à volume constant plus favorable thermodynamiquement.De cette façon, on obtient normalement un gain de rendement à charges partielle et réduite au moins égal à 10 %, et cela en améliorant considérablement les caractéristiques de démarrage à froid du moteur, tout en obtenant une légère amélioration du rendement à pleine charge.

On décrira maintenant, en faisant référence aux figures suivantes, des moyens permettant la mise en oeuvre de l'invention dont l'application n'est possible que dans la mesure où l'on obtient un contrôle et une régulation très précis de l'injection, aussi bien dans le temps (en termes d'avance) que en ce qui concerne les quantités de combustible injectées
Selon le mode de réalisation illustré aux figures 2 à 6, on utilise pour le contrôle de l'avance à lginjection et des quantités injectées un injecteur-pompe pour chaque cylindre du moteur, du type dans lequel la quantité de combustible injecté est contrôlée par rotation du piston de l'injecteur autour de son axe.Le piston comportant une rampe hèlicoidale, la quantité injectée est fonction de la position en rotation du piston, laquelle est elle-même fonction de la charge du moteur, par exemple de la position de l'accélérateur. La commande d'accélérateur agit par exemple par une crémaillère qui attaque un pignon denté solidaire en rotation du piston de l'injecteur permettant la rotation en question. Ce genre d'injecteur-pompe à volume variable est bien connu dans la technique et déjà utilisé sur les moteurs Diesel. Cependant, selon la technique connue, la face avant du piston est plane, autrement dit perpendiculaire à l'axe du piston de l'injecteur.Conformément à l'invention, il n'en est pas de même, la face avant du piston étant conformée avec une rampe hélicoldale de pente différente de celle de la rampe déterminant la quantité de carburant injecté. Le principe général de fonctionnement étant ainsi précisé, on décrira plus en détails une réalisation en faisant référence iÜx dessins.

En se référant tout d'abord à la figure 6, l'injecteur pompe comprend essentiellement un piston 10 qui se déplace à l'intérieur d'un cylindre 11 en étant commandé directement par une came 12 montée sur un arbre 13 de commande d'injection placé au-dessus de la culasse du moteur. La came 12 attaque un galet 14 tournant autour d'un axe 15 lié à un poussoir 16 de commande du piston 10. Un ressort de rappel 17 ramène le piston 10 en permanence contre le poussoir 16. On constate qu'une telle commande directe est très précise et efficace, les pièces étant courtes et la construction n'introduisant ainsi pas de distorsion élastique permettant une commande angulaire très précise de l'injection.Le piston 10 est d'autre part commandé en rotation autour de son axe, comme il-est connu en soi, grâce à un pignon 18 denté qui est attaqué par une crémaillère 19 elle-même commandée par exemple par la commande d'accélération du moteur.

Lorsque l'injection se produit, le carburant est injecté par le piston 10 sous pression dans le cylindre 11 et envoyé par le conduit 20 à l'injecteur 21.

Comme il apparatt plus clairement aux figures 2 à 5, la tête 22 du piston 10 est conformée pour moitié d'une partie cylindrique 23 avec deux faces planes 24, 25 perpendiculaires à l'axe du piston, et pour moitié par une partie cylindrique 26 avec deux faces hélicoldales à pentes différentes, respectivement d'attaque 27 et de décharge 28 plus inclinée. Une cannelure 29 crée un petit passage latéral axial entre les deux faces du piston. Le piston, sous l'effet de la came 12, est entraîné en mouvement alternatif de va-et-vient comme indiqué par la double flèche 30 à l'intérieur du cylindre 11 de l'injecteur. En 31 est représenté l'orifice d'arrivée basse pression du carburant et en 32 l'orifice de décharge basse pression du carburant.

D'autre part, par le jeu de la commande à crémaillère et à pignon, il est possible de faire tourner le piston 10 à l'intérieur du cylindre 11 autour de son axe, en modifiant donc les positions de la course du piston pour lesquelles l'orifice de décharge 32 sera obturé par la face 26 du piston.

On expliquera le fonctionnement en se reportant tout d'abord aux figures 2 et 5.

La position en rotation du piston, illustrée à la figure 2, correspond à une avance maximale, de l'ordre de 20 , et une quantité minimale de carburant injecté pour réaliser la position de fonctionnement au régime de charge minimale du moteur. Pour cette position, la crémaillère est tirée à fond (accélérateur relâché) etla face 26 de la tête 22 de piston présente en regard de l'orifice de décharge 32 basse pression du carburant sa plus faible longueur séparant les rampes d'attaque 27 et de décharge 28. Aux figures 2 et 5, il apparait clairement que dans une telle position de rotation relative, la face d'attaque 27 du piston viendra obturer l'orifice 32 plus tôt que dans toute autre position angulaire.Plus précisément, dans le mode de réalisation illustré, la distance dO séparant l'extrémité la plus basse de la rampe 27 de l'extrémité la plus haute de la même rampe mesure la différence d'avance séparant ces deux positions. Le profil de la rampe est ainsi choisi que l'orifice 32 commencera à être obturé dans cette position angulaire du piston par sa face 26 pour une avance de 200 par rapport au point mort haut.

C'est à ce. moment que l'injection commencera, le carburant enfermé dans le cylindre 11 devant s'échapper sous forte pression par l'injecteur 21 puisque les orifices basse pression d'amenée et de décharge du carburant, respectivement 31 et 32, sont à ce moment obturés respectivement par la face 23 et la face 26 du piston. L'injection se termine lorsque la face 26, par sa rampe de décharge 28, découvre l'orifice 32 basse pression.

A ce moment, la pression dans la chambre du cylindre 11 chute brutalement du fait de la.communication établie par la cannelure 29 de part et d'autre du piston. La hauteur séparant la rampe 27 de la rampe 28 mesure en qO la quantité (minimale) juste nécessaire de carburant injecté pour cette position de charge du moteur.

Si l'on se réfère à la figure 4, on aperçoit maintenant la position angulaire du piston correspondant à la charge maximale du moteur (accélérateur enfoncé, crémaillère poussée à fond) pour cette position, en regard dé l'orifice 32 se présente la face 26 du piston au voisinage de sa naissance où elle présente la plus grande hauteur. Cette hauteur mesure!la quantité ql decarburant injecté, durant tout le temps où l'orifice 32 sera obturé par la face 26 du piston (l'orifice 31 étant lui-même obturé pendant ce même temps par la face 23). La quantité de combustible injecté est plus importante que dans la position illustrée à la figure 2.Par contre, l'injection commence plus tard, puisque la rampe d'attague 27 est inclir.ée,-le retard à l'avance par rapport à la position de fonctionnement illustrée à la figure 2 correspondant à la distance dO déjà mentionnée.

Le profil de la rampe 27 est ainsi calculée que, pour la position de pleine charge illustrée à la figure 4, la rampe 27 vient obturer l'orifice 32, et par suite l'injection commence, pour une avance sensiblement nulle. A la figure 5, on aperçoit en vue développée la position angulaire relative de la tête de piston 22 par rapport à l'orifice de décharge 32 qui occupe ici la position relative repérée 321.

A la figure 3, on a illustré une position de charge intermédiaire correspondant à une avance moyenne, par exemple de l'ordre de 100 et une quantité de combustible moyenne q2 intermédiaire entre la quantité qO et ql. La position relative angulaire du piston par rapport à l'orifice 32 apparait clairement à la figure 5 où l'orifice 32 a été repéré 322.

Par les moyens indiqués ci-dessus, il apparaît clairement qu'il est possible, en choississant le profil des rampes d'attaque 27 et de décharge 28 de la tête de piston 22, de déterminer précisément le degré d'avance et la quantité de combustible injecté pour chaque régime de charge du moteur, ceci permettant d'obtenir le cycle de fonctionnement conforme à l'invention.

Bien que les moyens précédemment décrits soient particulièrement bien appropriés et faciles à mettre en oeuvre à partir des techniques et des mécanismes connus de l'art antérieur, il serait possible d'obtenir et de commander le cycle de fonctionnement de moteurs Diesel hypersuralimentés conformément à l'invention à partir d'autres moyens.

Ainsi, par exemple, la modification d'avance de l'injecteur pourrait être commandée à partir d'un arbre à cames qui peut être décalé angulairement de façon variable en fonction de la charge par rapport à l'angle de rotation du moteur, par exemple au moyen d'un entraînement à train épicycloidal reliant ledit arbre de distribution au vilebrequin du moteur. La liaison par train épicycloidal pourra être faite par exemple en reliant le pignon solaire à l'arbre à cames de distribution, la couronne à l'arbre-moteur, et en attaquant un pignon lié à l'arbre porte satellites du train épicycloldal au moyen d'une crémaillère elle-même liée à la commande d'accélération du moteur.

En variante, on peut donner aux cames qui commandent la pompe de l'injecteur une section variable selon la direction parallèle à l'axe de rotation dudit arbre à cames, et leon peut déplacer axialement cet arbre à cames au moyen d'un vérin lié à la charge du moteur. De cette arçon, on peut modifier angulairement à volonté l'avance en fonction de la charge, tandis que pour contrôler le volume de combustible injecté selon la charge, on peut utiliser tous moyens connus de l'art antérieur, tels par exemple que des injecteurs-pompes comportant une face d'attaque perpendiculaire à l'axe, une face de décharge hélicoidale et un système, par exemple à pignon. et crémaillère , permettant de modifier la position angulaire du piston de l'injecteur en fonction de la charge appliquée au moteur.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Perfectionnements au cycle d'alimentation des moteurs

Diesel de type hypersuralimentés, caractérisés en ce qu'en vue d'améliorer le démarrage à froid et le rendement du moteur, on augmente le taux de compression du moteur et l'on empêche la pression maximale de fonctionnement de dépasser la valeur limite autorisée en utilisant une avance progressive contrôlée selon la charge du moteur allant d'une valeur réduite aux fortes charges vers une valeur normale aux charges partielles et réduites.

2. Perfectionnements selon la revendication 1, caractérisés en ce que l'avance va d'environ 0 à pleine charge jusqu'à environ 200 à charge réduite.

3. Perfectionnements selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisés en ce que le taux de compression est augmenté jusqu'à au moins environ 11,6.

4. Perfectionnements selon l'une des revendications précédentes, caractérisés en ce qu'on utilise un injecteur-pompe pour les différents cylindres du moteur, lequel est commandé directement par l'arbre à cames (12,13) de distribution du moteur.

5. Perfectionnements selon la revendication 4, caractérisés en ce que ledit injecteur-pompe étant du type dont le piston (10) est commandé en rotation autour de son axe selon la charge du moteur, ledit piston comporte une tête (22) avec une face latérale (26) taillée entre deux rampes hélicoidales (27,28) à pentes différentes, lesdites rampes passant devant l'orifice de décharge basse pression (32) de l'injecteur et lequel orifice (32) est obturé lorsque ladite face latérale (26) est en regard dudit orifice pendant un intervalle angulaire dépendant de la position en rotation dudit piston (10) autour de son axe.

6. Perfectionnements selon la revendication 4, caractérisés en ce que ledit arbre à cames (12,13) peut être décalé angulairement de façon variable en fonction de la charge par rapport à l'angle de rotation du moteur au moyen d'un entrainement à train épicycloldal reliant ledit arbre de distribution au vilebrequin du moteur.

7. Perfectionnements selon la revendication 4, caractérisés en ce que lesdites cames (12) présentent une section varia ble selon la direction parallèle à l'axe de rotation dudit arbre (13), lequel peut être déplacé axialement parallèlement à luimême selon la charge du moteur.