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La présente invention se rapporte à un procédé de travail pour moteurs à combustion.
Dans l'état actuel de la technique on distingue principalement les procédés de travail pour moteurs à combustion énumérés ci-après:
1.) le procédé "Otto" 2.) le procédé "Diesel"
3.) le procédé "à culasse incandescente"
4.) le procédé "à moyenne pression".
Le procédé Otto,utilisé principalement pour un carburant volatil prévoit la formation d'un mélange de vapeur de carburant et d'air pendant -labourée d'aspiration, c'est-à-dire que ce mélange se forme dans un carbu- rateur à l'extérieur du moteur, ou dans les formes de réalisation actuelles ce mélange est formé par l'injection du carburant, au moyen d'un injecteur dans le tuyau d'aspiration ou dans le cylindre.De toutes manières on essaie d'obtenir, pendant la course d'aspiration, un mélange de carburant liquide et d'air le plus intime possible, de façon 4 disposer du temps suffisant pour former un mélange de vapeur de carburant et d'air le plus homogène, possible.L'allumage du mélange, prêt à brûler, se fait par une source d' allumage extérieure.Comme on travaille avec un mélange prêt à brûler,
le procédé Otto est lié à un degré de coqpression qui rend impossible un auto-allumage du mélange.Cela présente, au point de vue thermodynamique,des inconvénients dont la cause est l'étroite relation existant entre le ren- dement thermique et le degré de compression.
Dans le procédé Diesel on considère qu'il faut autant que possi- ble, de la même manière, former le plus rapidement et le plus intimement passible, le mélange du combustible injecté à l'état liquide et de l'air de combustion se trouvant dans le cylindre,cette formation se faisant en un temps extrêmement court à la fin de la compression, temps déterminé par le retard à l'allumage du combustible.On utilise à cet effet toute une série de chambres de combustion de formes différentes dites de pré-combustion", "à tou billonnement", "d'accumulation d'air", "à injection direct"etc.Tous ces procédés de formation du mélange dans les moteurs Diesel ont de commun qu'ils visent à réaliser le mélange intime et rapide, précité, du combus- tible et de l'air de combustion,
et cela dans le court délai dont on dispose avant le début de la course de détente.Le procédé Diesel nécessite un combustible suffisamment prompt à l'allumage pour que la chaleur de com- pression puisse l'allumer.
Dans les procédés dits "à culasse incandescente", une partie de la chaleur nécessaire$ à l'auto-allumage, et qui dans le moteur Diesel n' est obtenue que par le degré de compression, est fournie par plusieurs en- droits de la chambre de combustion portés à haute température.Dans le pro- cédé à culasse incandescente, le degré de compression est inférieure à celui du procédé Diesel, ce qui, bien qu'offrant des avantages mécaniques présente néanmoins des inconvénients au point de vue thermodynamique, dûs au rende- ment thermique qui devient plus mauvais du fait qu'il est fonction du degré de compression.On sait que dans un moteur à culasse incandescente il n'y a pas d'auto-allumage comme dans un moteur Diesel.En effet, si on supprime les endroits chauds de la tête du cylindre,
le moteur s'arrête comme dane le moteur Otto lorsqu'on interrompt l'allumage électrique.
Pour obtenir une homogénéité suffisante du combustible,le procédé dit "à moyenne pression" s'écarte du processus à auto-allumage du moteur Diesel et, tout comme dans le procédé Otto,il prévoit à cet effet un alluma- ge,généralement électrique. Toutefois,le mélange est formé sensiblement com- me dans les moteurs Diesel, c'est-à-dire seulement à la fin de la course de
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compression et immédiatement avant l'allumage. DAns les moteurs à moyenne pression également la chaleur de compression ne suffit pas à allumer le mélange final de vapeur de combustible et d'air.
La caractéristique commune des procédés précités est la formation, avant le début de l'allumage, d'un mélange prêt à brûler le plus complet possible ; seule la quantité de combustible déja transformée en vapeur lors- que l'allumage débute, diffère dans ces procédés. C'est dans les procédés Ot- to et à culasse incandescente que la vaporisation est la plus poussée à ce moment là; dans le procédé à moyenne pression seule une faible partie du com- bustible est vaporisée au début de l'allumage et dans le procédé Diesel également on ne réussit à vaporiser qu'une partie du combustible.
Dans les moteurs Diesel, la température est en réalité si élevée que la température d'auto-âllumage du mélange formé est dépassée par suite du degré de compression, et après la pré-réaction l'allumage a lieu immédiate- ment et automttiquement, sans que ce processus puisse enoore être réglé de l'extérieur.
Or le moment de la formation du mélange vapeur-air est essentiel pour le déroulement de la combustion.En ffet les pré-réactions moléculaires qui en dépendent étroitement déterminent de façon prépondérante le déroule- ment ultérieur de la combustion.Une conséquence en est par exemple l'appa- rition du cognage dans un moteur Otto, la progression de la compression,due à la détente de la partie brûlée, provoquant des réactions prématurées ou pré-réactions dans le reste du mélange non brûlé,mais prêt à l'être,
et entraînant alors une réaction spontanée de toute la partie restante.La signification de ces pré-réactions apparaît ici très clairement et leur exis- tence est en somme la raison pour laquelle le procédé Otto est lié au main- tien d'un degré de compression du mélange, relativement bas.
L'apparition de pré-réactions dépend toutefois de certaines condi- tions de pression et de températures dans la chambre de combuétion, et d'une certaine durée de l'influence de ces conditions sur le mélange.Si un mélan- ge prêt à brûler se forme déjà pendant la course d'aspiration, on dispose toujours d'un temps d'actions suffisante dans le moteur Diesel ce temps est plus court,mais la pression et la température sont pas contre plus élevées.
Dans ce cas aussi les pré-réactions sont fréquentes.
Toutefois la tendance à utiliser au maximum le combustible con- duit forcément à appliquer des procédés nécessitant un degré de compression maximum pour qie le rendement thermique se situe dans des limites avantageu- ses.C'est pourquoi les moteurs à moyenne pression, ou les moteurs à culasse incandescente, ne peuvent remplir les conditions nécessaires pour utiliser au, maximum l'énergie thermique produite et ils ne sont avantageux que lors- qu'on considère que l'insensibilité du combustible et de faibles charges mécaniques ont une plus grande importance qu'une utilisation spécifique du combustible.
Le moteur Diesel en tant que machine thermique.la plus économi- que, travaille de ce fait à un degré de compression maximum et donc aussi aux plus hautes températures avant le début de la combustion.Comme le com- bustible est essentiellement un hydrocarbure il subit dans le procédé Diesel des pré-réactions tout comme dans le procédé Otto.
Elles ont toute- fois un effet différent principalement du fait que la molécule de combusti- ble se dissocie avant la combustion proprement dite
Deux pressions se déroulent parallèlement lorsque le combustible liquide est injecté dans l'air comprimé chaud du moteur Diesel .Le premier est le mélange physique avec l'air.Dans les moteurs Diesel actuels, ce processus est favorisé par la forme de la chambre de combustion ou par le mouvement de l'air engendrée de sorte que pendant le peu-de temps disponi-
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ble le combustible encore liquide se répartit suffisamment dans l'air pré- sent dans la chambre de combustion.Cela ne provoque toutefois pas de mélan- ge moléculaire.En plus du processus mécanique de répartition précité,il fait encore mentionner, comme processus;
physique9 la diffusion qui favorise la formation du mélange et grâce à laquelle on obtient encore une autre ré= partition de la vapeur de combustible dans l'air de combustion ambiant,va- peur produite entretemps par le chauffage du combustible finement pulvéri- sé.Ce procédé est aussi trop lent-pour obtenir un mélange moléculaire même faible.C'est la raison pour'laquelle, dans un moteur Diesel on trouve,au début de l'allumage, le combustible sous toutes ses formes, la phase liqui- de et la phase gazeuse à l'état humide et surchauffé.Une réaction hétéro- gène est donc imposée, contrairement à une réaction homogène dans un mélan- ge moléculaire gaz-air.Cette différence est' décisive pour l'accélération qui subit la réaction sous l'effet de la température.
Mieux on réussit à obte- nir une réaction homogène des gaz, plus grande est l'accélération due à la température.Ces processus purement physiques se déroulent en partie pendant le retard de l'allumage; et aussi en partie pendant le processus de combusti- on lui-même .Une accélération de leur déroulement sous l'effet de la température, ne se produit que dans une mesure relativement faible,,On ne peut donc accélérer sensiblement le déroulement des processus physiques en aug- mentant la température.
Néanmoins il se produit aussi des modifications chimiques du com- bustible injectée, parallèlement aux processus physiques précités.Ces modi- fications chimiques sont dues au grand chauffement du combustible par contact avec l'air dans la chambre de combustion ou par rayonnement.En effet, la température de l'air dans la chambre de combustion est beaucoup plus élevée que celle du point d'allumage du combustible liquide ou de la vapeur de combustible ainsi formée à l'état naissant.Toutefois avant qu'une réac- tion puisse se produire avec l'oxygène de 1 air de combustion, il s'époule un certain temps dit "retard d'allumage".
Si pendant le retard d'allumage le mélange moléculaire n'a pu se produire -- ce qui est fort probable- il n'y a pas de combustion faute d'oxygène mais la structure -moléculaire du combustible est détruite et se dissocie en différentes parties qui par leurs réactions sont totalement différentes du combustible initialoD'autre part ce processus de dissociation est nécessaire à la mise en train de l'allumage la destruction de la molécule créant des conditions avantageuses pour l' action de l'oxygène.
Ces processus chimiques, mentionnés brièvement, qui en détail sont sensiblement plus complexes, subissent, sous l'effet de la température, une accélération considérable, contrairement aux processus physiques.C'est ainsi, par exemple, que pour une augmentation de température de 5400 à 7000 C, le rapport de la réaction augmente au centuple.Les augmentations de tem- pérature qui se produisent dans la chambre de combustion au début de la combustion sont cependant beaucoup plus importantes que les augmentations de température précitées de sprte que la vitesse des processus chimiques dépend dans une très grande mesure, de la température.Cela signifie qu'à de hautes températures, de tout l'allumage;
seule la fraction déterminée par les processus physiques, a encore une importance, tandis qu'à des tempéra- tures plus basses c'est le retard d'allumage déterminé par les processus chimiques, qùi est important.
Ces points ont l'influence suivante sur le mode de travail du moteurDans les limites de travail du moteur les processus phimiques se dé- .roulent sensiblement plus vite que les processus physiques .De ce fait, la dissociation chimique du combustible se produit avant que, pour obtenir une réaction complète on ait pu mettre une quantité suffisante d'oxygène en contact avec le combustible, grâce au processus de mélange physique.Les processus de 'dissociation qui débutest, laissent néanmoins subsister une
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quantité toujours plus grande de parties de molécules le mieux en état de réagir, ce qu'elles font d'ailleurs immédiatement lorsqu'elles entrent en contact avec de l'oxygène,
de orte que le processus de combustion d'un moteur Diesel est caractérisé par une vitesse initiale de combustion très élevée,qui provoque dans la chambre de combustion une augmentation, puissan- te et par à-coups de la pression. En outre, par suite de la dissociation et de l'état de mélange hétérogène,les processus chimiques comprennent aussi une déshydrogénation de la molécule du combustible,produite du fait du retrait de l'hydrogène du peu d'oxygène disponible lors du début prématuré de la,dissociation du combustible, de sorte que l'hydrogène réagit d'abord et qu'Il se forme des molécules,toujours riches en carbone,mais sensible*- ment moins actives à la combustion que le combustible initialoAinsi,malgré les,
phénomènes de post-combustion décrits et provoqués.par la formation de molécules déshydrogénées peu actives à la combustion, on ne peut atteindre un rendement avantageux dans un moteur Diesel, qu'en utilisant la vitesse initiale' élevée de la combustion,,Ce n'est qu'ainsi qu'on obtient une durée de combustion avantageuse au point de vue tnermodynamique.Un tel procédé est réalisé le plus avantageusement dans les moteurs dits "à injection direc- te" mais en acceptant alors l'intense bruit de la combustion, les pressions de combustion élevées et les pertes mécaniques importantes;
ces dernières étant dues particulièrement au fait que la combustion par à-coups enlève partiellement la pellicule lubrifiante dans les paliers, ce qui provoque des frictions préjudiciables.D'autres procédés de travail pour moteurs Diesel,par exemple ceux dits "à chambre de précombustion" permettent de réduire quantitativement le début'de réaction, et ce en arrêtant, l'injec- tion du combustible dans la chambre de précombustion, ce qui permet d'éviter les modifications subites et brutales de la pression au début de la com- bustion.
Toutefois, le rendement thermique de ces moteurs est plus faible à cause du processus de combustion plus prolongé et, même avec d'importants effets de mélange, on ne peut accélérer le processus de combustion à la fin de celle-ci .En effet'la dissociation du combustible, déterminée par la température, et le processus de déshydrogénation qui y est lié,produisant des molécules sensiblement plus lentes à réagir,même en présence d'oxygène.
De ce qui précède, il ressort que dans les moteurs Diesel,C'est la température trop forte règnant à la fin de;.'la compression, qui provoque le déroulement indésirable de la combustion,mais cette température est pourtant nécessaire pour provoquer l'auto-allumage;
La présente invention propose un nouveau procédé de travail de moteurs à combustion à allumage par compression dans lequel on applique les différentes phases ci-après a) le combustible liquide est injecté dans le cylindre peu avant la fin de la course de compression, b) une partie considérable du combustible injecté, maus au maxi- mum 98%, est étalée directement sur la paroi de la chambre de combustion dont la température est inférieure à celle de la dissociation thermique, mais se situe encore dans les environs de la température d'ébullition du combustible, tandis que le restant du combustible est mélangé' directement à l'air. c) l'étalement, sur la paroi de la chambre de combustion, de la première partie du combustible mentionné en b), se fait sans réflexion,
de façon à humecter de combustible la plus grande surface possible de cette paroi et à y faire adhérer le combustible, d) le degré de compression est choisi de manière à assurer un auto-allumage de la partie du combustible injectée répartie dans l'air, mais néanmoins sans que le combustible étalé sur la paroi s'allume de lûi- même
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1 air de combustion est dirigé de façon connue le long des en- droits de la paroi de la chambre de combustion, rencontrés par le combustible.
Par ce nouveau procédé on évite les principales difficultés,qui jusqu'ici constituaient les inconvénients du procédé Diesel, et qui dans les moteurs à injection directe, économiques, provoquaient le fort bruit de com- bustion lors des subites augmentations de pression, et qui d'autre part rendaient les moteurs "à chambre" moins économiques.Les pré-réactions et les processus de dissociation auxquels était soumis le combustible en suspension dans l'air très chaud, et qui se produisaient pendant le retard d'allumage et le début, de combustion provoquant une forte augmentation de température sont supprimés en empêchant que le combustible soit soumis à un chauffage exagérée ce qui est réalisé en l'étalant sur une paroi de la chambre de com- bustion qui tout en le laissant se vaporiser,
le fait dans des limites de température dans lesquelles il ne se produit pas encore une dissociation de sa molécule.Le combustible s'évaporant de la paroi de la chambre de combus tion conserve donc positivement la même structure moléculaire que le combus- tible initial injecté.La quantité de combustible s'évaporant dans l'unité de temps, est beaucoup moins influencée au contact de la paroi par les fortes différences de température de la masse de gaz dans la chambre de com- bustion du moteur,que si le combustible liquide se trouve en suspension sous forme de gouttelettes dans la masse de gaz.La vaporisation s'effectue quasi isothermiquement dans les limites de température prédéterminées par la tem- pérature de la paroi;
c'est-à-dire que par unité de temps, seule la quantité de combustible ayant absorbé suffisamment de chaleur d'évaporation sur la paroi,peut participer au processus de mélange et de combustion.Ainsi,bien que tout le combustible se trouve dans la chambre de combustion,seule une petite quantité de combustible peut participer à la réaction dans un laps de temps à considérer, et ce alors uniquement sous forme de vapeur.Lorsqu' alors la partie de combustible à l'état de vapeur amenée à réaction pendant le laps de temps considéré, subiquand môme des pré-réactions, ces derniè- res n'intéressent que de petites quantitésoLe même processus de réaction qui dans le moteur Diesel, se transmet de façon imposée et immédiatement,à tout le combustible,
et provoque les pré-réactions spontanées accompagnées de lents effets de post-combustions s'étend maintenant à un grand nombre de petites quantités qui reproduisent successivement le même 'processus.Les moments d'accélération engendrés par la pré-réaction existent donc aussi -' bien à la fin de cette combustion en chaîne quau début.On obtient ainsi une vitesse de combustion uniforme,tandis que suivant les besoins,on peut commander tout le déroulement du processus en réglant la vitesse de vapori- sation par la température de la'paroi.
Dans ce procédé se déroule encore le processus suivant: l'étale- ment du combustible sur la paroi de la chambre de combustion le protège d'un chauffage excessif et, dans une certaine mesures il est "refroidi".
Le processus de vaporisation qui n'affecte que dee quantités partielles, laisse subsister un mélange vapeur de combuâtible-air, dont le point d'allumage est si élevé qu'il ne peut plus être allumé par la température de compression,contrairement à ce qui se produit dans les moteurs Diesel, dans lesquels le combustible est injecté dans l'air porté à une températu- re de loin supérieure à celle de l'allumage, ce combustible à l'état ,de vapeur ayant le point d'allumage du liquide. (On sait que le point d'allu- mage de la vapeur à l'état naissant est le même que celui du liquide ).Il est probable que dans ce processus,la différence entre le point d'allumage de la vapeur du combustible finement divisé et du combustible étalé sur la paroi,est également un conséquence de l'état de la vapeur du combustible.
La chaleur qui pénètre dans une gouttelette en suspension ne peut d'abord que former un mélange de vapeur humide autour de la gouttelette, le proces- sus d'évaporation en tant que tel exigeant trop de chaleur pour surchaoffer
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rapidement la vapeur de combustion avant le début de la réaction.Cependant dans le cas de l'étalement sur la pareille combustible reçoit de cette der- nière la;
majeure partie de la chaleur nécessaire à la vaporisation, et comme il n'y a toujours qu'une partie du combustible qui peut se mélanger à la totalité de l'air dans la chambre, il se produit avant le début de la réac- tion lors du processus de mélange avec l'air de combustionyun mélange formé de vapeur de combustible surchauffée et d'air, dont le point d'allumage est beaucoup plus élevé que celui du mélange de vapeur humide qui, on le sait,
a le même point d'allumage que le combustible'liquide Ce phénomène a pour conséquence un déroulement totalement différent de la pré-réaction et con- stitue d'autre part une caractéristique essentielle du moteur à combustion fonctionnant suivant le procédé conforme à la présente invention en ce que l'allumage cesse immédiatement lorsqu'on supprime la partie du combustible répartie dans l'air, c'est-à-dire quand le combustible est étalé à 100% sur la paroi.
Suivant l'invention l'allumage se fait dans l'air de combustion comprimé sous forme d'auto-allumage de la partie du combustible répartie dans l'air.Il est clair que Inefficacité du procédé (économie, combustion silencieuse, douceur de la progression de la pression,moindre coloration des gaz d'échappement) est d'autant meilleure qu'on arrive à limiter à une partie aussi faible que possible du combustible introduit,l'allumage qui doit bien se faire en passant parla réaction genre Diesel, en soi indési- rable, du combustible réparti dans 1-1-air.Il est clair qu'on ne peut étaler le combustible à 100% sur la paroi, l'allumage ne pouvant alors plus se produire,
en effet lé combustible reste alors sur la paroi à une température trop basse pour pouvoir subir erccre suffisamment vise le processus 'de dis- sociation et les pré-réactions nécessaires à l'allumage.
Plus l'amenée d'air aux endroits déterminés est avantageement réalisée, plus la quantité de combustible étalée sur la paroi peut être grande.
Les avantages qui peuvent être obtenus par le nouveau procédé de travail, soht: une combustion se déroulant calmement et sans à-coups une meileure économie due à la réduction despertes mécaniques par fric- tion dans le moteur,une fin prompte de la combustion malgré la faible vitesse du début de la réaction, une très bonne utilisation de l'air,une moindre coloration des gaz d'échappement surtout à charge partielle et aussi un déroulement avantageux de la combustion quelles que soient les dimensions des chambres de combustion et le nombre de tours du moteur.