FR2769515A1 - Dispositif d'evaporation de films liquides deposes sur des parois - Google Patents

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Abstract

- La présente invention concerne un dispositif destiné à évaporer un film liquide déposé sur une paroi (1) délimitant l'espace dans lequel un fluide est transporté vers un réacteur. - Selon l'invention, ladite paroi comporte des moyens (5) tels que des stries pour étaler ledit film, lesdites stries ayant une profondeur d'environ 100 m, afin d'augmenter l'échange thermique entre l'air, le film et les parois, lesdits moyens étant situés à proximité de l'endroit où ledit conduit débouche dans ledit réacteur. - Une application particulière de l'invention concerne l'évaporation de films de carburant à l'admission de moteurs à combustion interne.

Description

La présente invention concerne le domaine des évaporateurs destinés à favoriser la pulvérisation et l'évaporation de films liquides déposés sur diverses parois. Le génie thermique et le génie chimique notamment utilisent de tels dispositifs.
Plus spécifiquement, la présente invention peut être mise en oeuvre dans le domaine de l'admission des moteurs à essence à injection indirecte pour lesquels un mélange air-carburant est introduit dans la chambre de combustion via un ou plusieurs conduits d'admission. Le mélange est formé dans un conduit d'admission, en aval d'un injecteur de carburant qui y débouche.
Un problème inhérent à ce type de moteurs concerne l'évaporation et la pulvérisation du film liquide déposé sur la paroi interne du ou des conduits d'admission. Ce film, couramment de l'ordre de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur, constitue une réserve de liquide (d'essence en l'occurrence) qui forme tampon et nuit au temps de réponse du moteur. Les spécialistes considèrent donc que ce film, qui gêne le contrôle précis de la richesse en régime transitoire, n'est pas favorable au bon fonctionnement du moteur et à sa dépollution.
On sait en effet qu'en régime transitoire il y a un brusque changement de charge du moteur, donc un changement de la quantité injectée.
C'est pourquoi il est recherché de vaporiser d'une façon à la fois rapide et efficace le film ainsi déposé, sur la paroi interne du ou des conduit(s) d'admission.
Parmi les méthodes connues destinées à une telle fonction, on peut chercher à éviter le dépôt de film d'essence. II faut alors générer des gouttes de diamètre inférieur à environ 20 microns pour vraiment accélérer l'évaporation des gouttelettes. Cela nécessite des pressions élevées, de
I'ordre de 50 bars. Actuellement les injecteurs de carburant les plus perfectionnés c'est-à-dire ceux assistés par air, permettent de générer des gouttelettes ayant un diamètre de l'ordre de 30 à 40 microns.
Même si des évolutions futures permettent d'avoir des gouttelettes plus fines, ces injecteurs seront fragiles, de mise en oeuvre délicate.
Une autre façon connue de vaporiser le carburant consiste à le diriger sur la zone la plus chaude possible en employant un injecteur à jet étroit. On dirige alors préférentiellement le carburant vers la soupape. Cette méthode ne présente aucun avantage lors des démarrages à froid car la soupape étant alors froide, le mélange n'est pas bien préparé, aucune pulvérisation du type souhaité ne peut être obtenue. On accroît le carburant liquide qui entre dans la chambre de combustion car on raccourcit le temps de transit en amont de la soupape ; cela accroît donc les émissions d'hydrocarbures imbrûlés.
II est encore connu de diriger le jet de carburant, à l'intérieur du conduit d'admission, vers un élément chauffant, essentiellement pendant les périodes de démarrage à froid. Divers moyens ont déjà été décrits autour de ce concept : La demande FR 2 567 965 ; la demande WO 93/02284 ou encore le brevet US 4 967 706.
Par ailleurs on connaît par la demande française FR 2 675 849, une culasse de moteur à injection indirecte, ayant un conduit d'admission équipé de moyens déchireurs du film de carburant déposé sur la paroi interne.
Ces moyens se présentent sous forme d'aspérités disposés en saillie au voisinage du siège de soupape.
II s'agit donc selon cet art antérieur de vaporiser le carburant à l'intérieur de la chambre de combustion, par déchirement du film de carburant à l'entrée de cette chambre.
La présente invention relève d'un concept différent puisqu'elle vise avant tout à augmenter l'échange thermique avec la paroi ainsi que l'échange aérodynamique avec l'air avant l'entrée dans la chambre de combustion.
On obtient en conséquence une accélération de l'évaporation quelle que soit la pulvérisation du jet de carburant, quelle que soit la température des parois ou de l'air.
La présente invention cherche à freiner l'écoulement du carburant à le canaliser dans des zones spécifiques afin d'étaler le film sur une surface aussi grande que possible.
En conséquence une surface d'évaporation ainsi qu'un temps d'évaporation plus importants sont obtenues.
Ainsi l'invention a pour objet un dispositif destiné à évaporer un film liquide déposé sur une paroi délimitant l'espace dans lequel un fluide est transporté vers un réacteur.
Selon l'invention la paroi comporte des moyens tels que des stries pour étaler ledit film lesdites stries ayant une profondeur d'environ 100 um, afin d'augmenter l'échange thermique entre l'air, le film et les parois, lesdits moyens étant situés à proximité de l'endroit où ledit conduit débouche dans ledit réacteur.
De façon particulière, l'invention vise un dispositif d'évaporation de films de carburant à l'admission de moteurs à combustion interne, selon lequel la paroi est l'un des conduits d'admission du moteur qui débouche dans une chambre de combustion du moteur.
Plus précisément, les stries peuvent être réalisées sur une zone du conduit d'admission située à proximité d'un élément d'obturation tel qu'une soupape débouchant dans la chambre de combustion du moteur.
Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, les stries sont réalisées sur la surface d'un élément d'obturation tel qu'une soupape débouchant dans la chambre de combustion du moteur, ladite surface étant située du côté du conduit d'admission.
Les stries peuvent être parallèles entre elles ; Elles peuvent former un dessin de type chevron ; Elles peuvent aussi être concentriques autour de l'axe de la soupape. Elles peuvent encore être hélicoïdales ou circulaires.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles - La figure 1 est une coupe longitudinale simplifiée d'un conduit d'admission
selon un mode de réalisation de l'invention; - La figure 2 est une coupe longitudinale simplifiée d'un conduit d'admission
selon un autre mode de réalisation de l'invention; et - La figure 3 est une coupe longitudinale simplifiée d'une mise en oeuvre de
l'invention dans un réacteur quelconque.
Selon la figure 1, un conduit d'admission 1 amène un fluide carburé selon la flèche A dans une chambre de combustion 2 d'un moteur à combustion interne. Un élément d'obturation intermittent tel qu'une soupape 3 est disposé à l'endroit où débouche le conduit l dans la chambre 2.
Un injecteur 4 permet d'injecter du carburant dans le fluide véhiculé selon la flèche A. Selon le cas d'application cité en exemple, le fluide est de l'air et le carburant de l'essence.
Ainsi un film de carburant est créé sur les parois qui délimitent le fluide carburé; plus précisément la paroi interne du conduit 1 ou bien le pied de la soupape 3 peuvent ainsi retenir ledit carburant.
La présente invention propose des moyens pour étaler le film formé.
En d'autres termes, les moyens selon l'invention permettent d'améliorer l'échange entre le film, ladite paroi et/ou le milieu environnant. II s'agit d'améliorer l'échange entre le film liquide et les parois et/ou le film liquide et l'écoulement de fluide à l'intérieur du conduit 1.
Pour ce faire, les moyens utilisés augmentent la rugosité des parois concernées. Ce concept est a priori rejeté dans les systèmes actuels car ils tendent à augmenter les pertes de charge, et notamment les pertes de remplissage sur les moteurs à piston.
Le flux thermique peut être défini par: F = h x S x T h étant le coefficient d'échange thermique
S étant la surface d'échange et T étant la différence de température entre le film et la paroi.
La présente invention permet d'accroître à la fois le coefficient d'échange h et la surface S, ce qui a pour effet d'accroître doublement l'évaporation du film déposé sur la paroi.
Plus précisément la présente invention propose des stries ayant une profondeur d'environ 100 um, lesdites stries étant présentes sur la paroi interne du conduit d'admission l et/ou sur le pied de la soupape 3.
Les stries sont préférentiellement limitées dans leur emplacement, dans leur orientation.
Si elles sont situées dans un conduit d'admission 1, elles sont alors préférentiellement réalisées dans une zone située à proximité de l'élément d'obturation 3. Elles peuvent être parallèles entre elles. Elles peuvent aussi présenter un dessin de type chevron sur la paroi interne des pipes d'admission tel que représenté en 5' sur la figure 2. Ainsi elles contrecarrent l'effet de la gravité en canalisant le film vers les parois latérales. Elles sont alors réalisées dans le noyau servant au moulage des pipes d'admission.
Sans sortir du cadre de l'invention, les stries peuvent être situées sur la tulipe de la soupape 3, comme illustré par la référence 5 de la figure 1.
Elles sont ainsi circulaires, concentriques autour de l'axe de la soupape 3. Un apport de métal par brasage (par exemple) permet de les réaliser.
Dans tous les cas, les moyens (5, 5') destinés à étaler le film déposé sont situés en amont du siège de la soupape 3. En étalant ce film à cet endroit, on peut mieux vaporiser le carburant en amont dudit siège, de sorte que lorsque la soupape 3 s'ouvre, un mélange davantage gazéifié est introduit dans la chambre de combustion 2.
Par ailleurs, en limitant et en contrôlant la surface striée, il est possible de ne pas stocker une quantité trop importante de carburant liquide et de limiter les pertes de charges à un niveau raisonnable.
La figure 3 concerne une application de l'invention à un réacteur quelconque. Le conduit 1 est ici une veine de mélange qui débouche directement dans un réacteur 2. Un injecteur 4 émet des gouttelettes dans la veine 1 juste en amont d'un ensemble de stries 5' formées dans la paroi interne de la veine 1. Les stries permettent selon l'invention, d'étaler le film liquide formé sur la paroi interne du conduit 1. II en résulte, au niveau du réacteur 2, à la fois des gouttes 6 générées par les stries 5', et des gouttelettes 7 créées directement par l'injecteur 4.
Ainsi une vaporisation maximale du liquide peut être réalisée.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1) Dispositif destiné à évaporer un film liquide déposé sur une paroi (1) délimitant l'espace dans lequel un fluide est transporté vers un réacteur, caractérisé en ce que ladite paroi (1) comporte des moyens (5) tels que des stries pour étaler ledit film, lesdites stries (5, 5') ayant une profondeur d'environ 100 ,um, afin d'augmenter l'échange thermique entre l'air, le film et la paroi, et lesdits moyens sont situés à proximité de l'endroit où ledit conduit débouche dans ledit réacteur (2).
2) Dispositif selon la revendication 1, destiné à l'évaporation de films de carburant à l'admission de moteurs à combustion interne, caractérisé en ce que ladite paroi est l'un des conduits d'admission du moteur, qui débouche dans une chambre de combustion (2) dudit moteur.
3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les stries (5') sont réalisées sur une zone du conduit d'admission (i) située à proximité d'un élément d'obturation (3) tel qu'une soupape débouchant dans la chambre de combustion (2) du moteur.
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les stries (5) sont réalisées sur la surface d'un élément d'obturation (3) tel qu'une soupape débouchant dans la chambre de combustion (2) du moteur, ladite surface étant située du coté du conduit d'admission (1).
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites stries (5, 5') sont parallèles entre elles.
6) Dispositif selon l'une des revendications 1, 4 ou 5, caractérisé en ce que les stries (5) sont concentriques autour de l'axe de la soupape (3).
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 5, caractérisé en ce que lesdites stries (5') ont la forme de chevrons disposés sur la paroi intérieure du conduit d'admission (1).
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