FR2629516A1 - Moteur a cycle diesel pour carburant a tension de vapeur elevee - Google Patents

Moteur a cycle diesel pour carburant a tension de vapeur elevee Download PDF

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Abstract

Le moteur est destiné à utiliser comme combustible du GPL ou des produits non pétroliers tels que les alcools, de viscosité très inférieure à celle du gazole, avec un additif pour leur conférer un indice de cétane permettant l'auto-inflammation par compression. Il fonctionne suivant le cycle diesel et comprend un dispositif d'injection directe sous haute pression du carburant dans les chambres de combustion par des injecteurs mécaniques passifs, ledit dispositif ayant une pompe d'alimentation moyenne pression 12 capable d'amener le combustible à une pression suffisante pour qu'il n'atteigne pas l'ébullition à 80degre(s)C et une pompe haute pression 18 placée à proximité des injecteurs, ladite pompe haute pression ayant un cylindre et un piston à surfaces lisses de coulissement relatif et d'étanchéité, séparés par un jeu radial de l'ordre de 1 mum, le piston présentant une porosité superficielle ouverte imprégnée d'un lubrifiant résistant au frottement et à l'action du carburant.

Description

Moteur à cvcle diesel Dour carkurant à tension de vapeur élevée.
La présente invention concerne les moteurs à combustion interne destinés à utiliser un carburant à tension de vapeur élevée, ayant généralement un point d'ébullition nettement inférieur à 100iC et de viscosité très inférieure à celle du gazole.
Elle concerne notamment les moteurs utilisant comme carburant des hydrocarbures légers r tels que ceux que l'on trouve en mélange sous forme liquéfiée dans le commerce sous l'appellation GPL, et des alcools.
On connaît déjà des moteurs à combustion interne utilisant l'alcool ou le GPL comme carburant. La plupart de ces moteurs utilisent le cycle de Beau de Rochas.
Cette solution n'est pas pleinement satisfaisante pour toutes les applications, notamment du fait qu'elle cumule deux désavantages financiers le cycle de Beau de Rochas ne permet pas d'atteindre les rendements et les puissances volumiques élevées du diesel ; pour un apport énergétique identique, le GPL ou l'alcool est plus cher que le gazole. On a également proposé des moteurs à injection directe adaptés exclusivement à l'emploi de l'alcool, dérivés des moteurs diesel par réduction du rapport volumétrique et adjonction d'un allumage commandé, pour pallier le faible indice de cétane des alcools. Cette solution ne permet d'utiliser les moteurs diesel existants construits en grande série que moyennant des adaptations coûteuses.
On sait par ailleurs qu'il existe des additifs chimiques, notassent des produits nitrés, qui permettent d'accroitre l'indice de cétane des combustibles. Mais des obstacles gênent l'utilisation pure et simple de l'alcool ou du GPL, d'indice de cétane accru par la présence d'additif, dans un moteur diesel courant à injection directe dans les cylindres. Du fait que la température sous le capot du véhicule peut atteindre et dépasser SO'C, il existe un risque de vaporisation du carburant ou du moins de ses fractions légères dans la conduite d'alimentation de la pompe haute pression du moteur diesel. Les hydrocarbures légers et les alcools, loin d'avoir l'action lubrifiante du. gazole, ont une action décapante.Leur viscosité est beaucoup plus faible de sorte qu'ils sont susceptibles de s'échapper par les jeux entre pièces mobiles jugés acceptables dans des circuits véhiculant du gazole sous pression élevée.
La présente invention vise à fournir un moteur à combustion interne susceptible de fonctionner aussi bien avec un carburant à tension de vapeur élevée qu'avec du gazole, utilisant le cycle diesel et donc ayant un rendement élevé.
Dans ce but l'invention propose notamment un moteur à cycle diesel comprenant un dispositif d'injection directe sous haute pression du carburant dans les chambres de combustion, ayant des injecteurs mécaniques passifs et un circuit d'alimentation des injecteurs comprenant, à partir du réservoir de carburant, une pompe basse pression capable d'amener le combustible à une pression suffisante pour qu'il n'atteigne pas l'ébullition à 80.C et une pompe haute pression placée à proximité des injecteurs, ladite pompe haute pression ayant un cylindre et un piston à surfaces lisses de coulissement relatif et d'étanchéité, séparés par un jeu radial de l'ordre de 1 jjm, le piston présentant une porosité superficielle ouverte imprégnée d'un lubrifiant résistant au frottement et à l'action du carburant.
Un tel moteur permet notamment de fonctionner au
GPL, constitué essentiellement d'un mélange de propane et de butane, et d'éviter la formation de bulles de propane (pour lequel il peut être nécessaire d'utiliser une pompe basse pression fournissant une pression absolue de 40 bars environ pour éviter l'ébullition du GPL C. à 80-C). Il est souhaitable d'adopter un moteur diesel ayant un rapport volumétrique élevé, de 17 à 20 pour ùne cylindrée unitaire jusqu'à 3 litres, pour que l'åuto- inflammation du carburant injecté en phase liquide intervienne pour un indice de cétane qui n'exige qu'une faible teneur en additif nitré, typiquement une teneur ne dépassant pas 2 8 en volume.
On voit que les modifications à apporter à un moteur diesel classique ne portent que sur des éléments accessoires. Le fait que la pompe haute pression soit traitée n'interdit nullement d'utiliser du gazole. Les injecteurs passifs ne se différencient des injecteurs d'un moteur traditionnel que parce que leur aiguille est traitée, comme le piston de la pompe haute pression, et parce que leur volume est accru (la charge à débiter par cycle étant augmentée d'environ 1/3 du fait qu'à volume égal la capacité thermique du GPL ou de l'alcool est inférieure à celle du gazole).
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma d'ensemble montrant l'ensemble du système d'alimentation d'un moteur diesel en carburant, suivant l'invention
- la figure 2 est un schéma des liaisons entre un injecteur et sa pompe.
On supposera tout d'abord que le moteur est prévu pour fonctionner au GPL et éventuellement en secours au gazole. Le système d'alimentation en GPL comprend un réservoir 10 relié à l'entrée d'une pompe d'alimentation à basse pression 12 par un organe de préfiltrage 14.
L'organe de préfiltrage peut être classique et utiliser une cartouche filtrante remplaçable en matière plastique. Cet organe de préfiltrage 14 peut être combiné A l'électrovanne de sécurité classiquement prévue sur un système d'alimentation en GPL.
La pompe d'alimentation à basse pression doit être capable de porter le GPL à une pression suffisante pour éviter la formation de bulles dans la conduite 16 qui relie sa tubulure de refoulement à la pompe 18 à plusieurs cylindres d'injection à haute pression dans les chambres de combustion. La pression de refoulement de la pompe 12 sera choisie en fonction de la température maximale susceptible de régner dans l'espace parcouru par la conduite 16 et des moyens d'isolement thermiques éventuels équipant la conduite 16. Pratiquement, il sera toujours nécessaire que la pompe d'alimentation fournisse une pression dépassant 20 bars. Mais, dans des cas extrêmes, il peut être nécessaire que la pression de refoulement de la pompe d'alimentation 12 atteigne 50 bars environ, en cas d'utilisation de propane comme carburant et de température élevée sous capot.Cependant un phénomène de compensation intervient, la pression en amont de la pompe 12 augmentant en fonction de la température du carburant de sorte que, si la pompe fonctionne à différence de pression constante, sa pression aval augmente avec la température.
Etant donné que la température du réservoir 10 est toujours, lors du fonctionnement du moteur, inférieure à la température sous capot, il est utile d'organiser un balayage permanent de la conduite 16 et de la cheminée d'alimentation 22 de la pompe 18. Pour cela la pompe 12 est munie d'un circuit sommaire de réglage de débit commandant le moteur électrique de la pompe de façon à augmenter le débit en fonction des besoins du -moteur et à maintenir en permanence un débit de retour de la galerie 22 de la pompe vers le réservoir 12 à travers un étranglement 24 et une conduite de retour 26.
Diverses pompes d'alimentation sont utilisables, notamment des pompes à pistons radiaux disponibles dans le commerce, choisies d'un type pouvant véhiculer un liquide non lubrifiant. Le type de traitement décrit plus haut pour les pompes d'injection est également applicable aux pompes moyenne pression qui deviennent ainsi aptes à l'utilisation des combustibles type GPL.
Sur la conduite 16 est interposé un filtre 20 qui peut être un filtre de qualité industrielle utilisant une cartouche filtrante de matériau composite ayant une porosité suffisamment faible.pour retenir les particules dont la dimension dépasse le micron afin de protéger la pompe d'injection à haute pression.
La pompe d'injection 18 a une constitution classique si ce ntest qu'elle est surdimensionnée par rapport à cellesw;iécessaires pour un moteur diesel de même puissance prévue pour fonctionner uniquement au gazole.
Les corps pompe (un par cylindre) sont constituées par des cylindres 28 ménagés dans un bloc et pourvus chacun d'un piston 30 commandé par des moyens non représentés.
Un clapet 32 est interposé entre la sortie de chaque cylindre de pompe 28 et l'injecteur passif 34 correspondant. Ce clapet est chargé par un ressort taré 36 oppo-sant à l'ouverture une force supérieure à la force exercée par la pression maximale de la pompe d'alimentation 12.
L'injecteur 34 représenté schématiquement sur la figure comporte un équipage mobile ayant un plongeur 38 prolongé par une aiguille 40 de fermeture d'un orifice d'injection. Un ressort 42 maintient l'aiguille fermée en dehors des périodes de refoulement du corps de pompe d'injection correspondant.
Conformément à l'invention, le piston 30 au moins de chaque pompe d'injection présente un revêtement anti-friction résistant à la corrosion par le carburant et le jeu résiduel entre piston et cylindre ne dépasse pas 1 tjm environ.
Dans la pratique, une solution avantageuse consiste à utiliser. une pompe classique de moteur diesel et à la modifier par traitement superficiel des pistons, constitue par un dépôt, ancré dans la porosité du piston, d'une couche de matériau anti-friction.
Une première solution consiste à imprégner superficiellement le piston par des particules de bisulfure de molybdène. Pour cela chaque piston 30 est dégraissé, décapé, traité sous vide pour vider la porosité externe, puis immédiatement imprégné de bisulfure de molybdène par voie mécano-pneumatique. La réalisation de ce revêtement provoque un gonflement diamètral de l'ordre de quelques microns, qui réduit les jeux de façon suffisante pour permettre le fonctionnement au GPL d'une pompe classique. Des essais ont été effectués et ont permis de constater qu'on réalise ainsi une étanchéité satisfaisante et qu'il n'y a ni usure ni corrosion au bout de 2 000 heures de fonctionnement. Le coût du traitement est modéré. Au surplus, le fait que l'accroissement de diamètre se limite de lui-meme permet d'éviter tout risque de surdimensionnement.
Une autre solution consiste à revêtir le piston par un dépôt chimique ou électrolytique de métal ou alliage ayant de bonnes caractéristiques anti-friction et anti-corrosion. On peut notamment utiliser le dépôt de nickel. La régularité d'accroissement d'épaisseur du dépôt permet, par simple mesure du temps d'électrolyse à courant constant, de régler à volonté le jeu résiduel.
Une épaisseur de revêtement de quelques dixièmes de microns est en général suffisante.
Le plongeur 38 des injecteurs passifs doit répondre aux mêmes conditions que le piston des pompes et peut en conséquence être traité de la même façon.
Pour permettre au moteur de fonctionner à tous les régimes, il est en général nécessaire d'ajouter un additif d'accroissement de l'indice de cétane au combustible. On peut notamment utiliser comme additif le TEGDN (triéthylèneglycoldinitrate) (essentiellement avec les alcools), ou le nitrate d'éthylehexyle (avec les produits pétroliers). Les teneurs à utiliser vont de 1 à 5 O en volume lorsque le carburant est constitué par de l'alcool. Mais il est souhaitable d'adopter des rapports volumétriques tels que la teneur nécessaire ne dépasse pas 2 . Dans le cas où le carburant est constitué d'hydrocarbures légers, par exemple dans celui où il est constitué de GPL, une teneur allant de quelques pour mille à 1,5 % est généralement suffisante.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. Moteur à combustion interne destiné à utiliser un carburant à tension de vapeur élevée, de viscosité très inférieure à celle du gazole, caractérisé en ce qu'il fonctionne suivant le cycle diesel et comprend un dispositif d'injection directe sous haute pression du carburant dans les chambres de combustion par des injecteurs mécaniques passifs (34), ledit dispositif ayant une pompe d'alimentation basse pression (12) capable d'amener le combustible à une pression suffisante pour qu'il n'atteigne pas l'ébullition à 80*C et une pompe haute pression (18) placée à proximité des injecteurs (34), ladite pompe haute pression ayant un cylindre (28) et un piston (30) à surfaces lisses de coulissement relatif et d'étanchéité, séparés par un jeu radial de l'ordre de 1 pm, le piston présentant une porosité superficielle ouverte imprégnée d'un lubrifiant résistant au frottement et à l'action du carburant.
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lubrifiant d'imprégnation est constitué par du bisulfure de molybdène.
3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite pompe d'alimentation basse pression (12) est munie d'un dispositif de régulation permettant de maintenir un débit de balayage vers le réservoir (10) à travers la pompe haute pression (18) à tous les régimes de fonctionnement du moteur.
4. Moteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les injecteurs comportent un équipage mobile dont le piston (38) coulissant dans le cylindre d'injecteur est séparé dela paroi du cylindre par un jeu radial de l'ordre de 1 zm, le piston présentant une porosité superficielle ouverte imprégnée d'un lubrifiant résistant au frottement et à l'action du carburant.
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