Procédé de fonctionnement d'un moteur à allumage par compression La présente invention a pour objet un procédé de fonctionnement d'un moteur à quatre temps à allumage par compression, caractérisé en ce qu'on effectue à chaque cycle dans le cylindre deux injec tions successives d'un même combustible dont la première est effectuée ;
entre 320 et 380 avant la fin de la course de compression, cette injection re- présentant au plus 50,% de la quantité totale de combustible introduite par cycle dans le cylindre.
Ce procédé permet une combustion plus souple, quel que soit le combustible utilisé, et une puissance accrue pour une montée de pression donnée, ce qui rend possible notamment l'alimentation au moyen de combustibles plus légers que le gas-oil, tels que par exemple les essences, y compris celles d'indice d'octane élevé qui sont normalement utilisées dans les moteurs à allumage commandé.
Dans le cas d'une alimentation en gas-oil, la quantité injectée au cours de la première injection pourra avantageusement représenter de 20 à 45 11/o de la quantité totale de gas-oil injectée.
Dans le cas d'une alimentation en essence d'in dice d'octane plus élevé que le gas-oil, la quantité injectée au cours .de la première injection pourra être avantageusement choisie entre 30 et 501% de la quantité totale d'essence injectée par cycle.
L'expérience montre que le procédé selon l'in vention permet de réduire très sensiblement le délai d'inflammation, de sorte que, la montée de pression lors de l'inflammation s'effectue d'une façon pro gressive et par conséquent moins brutale, tout en conservant un bon rendement. Dans ce qui suit on va décrire plusieurs exem ples de mises en #uvre du procédé selon l'invention.
Le moteur choisi pour ces exemples de mises en oeuvre présente les caractéristiques suivantes 2 cylindres en ligne Puissance: 50 ch à 1250 tours/minute Alésage: 140 mm Course: 180 mm Taux de compression: 15.
La distribution est réglée de manière que l'ou verture et la fermeture de la soupape d'admission se produisent respectivement à 120 avant le point mort haut et à 360 après le point mort bas, et que l'ou verture et la fermeture de la soupape d'échappe ment se produisent respectivement à 360 avant le point mort bas et à 121) après le point mort haut.
Le moteur est équipé de 2 pompes à injection ayant chacune deux cylindres et alimentant les in jecteurs du moteur en parallèle. Pour permettre d'observer l'influence des paramètres de réglage des 2 injections sur les performances du moteur et sur le développement de la combustion, on a enregistré les diagrammes de pression en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin à l'aide d'un manographe strobocathodique. La densité des fumées a été éva luée par le procédé Bacharach, consistant à évaluer le noircissement d'un papier filtre après le passage d'un volume défini de gaz brûlés.
<I>Exemple 1</I> Essence ordinaire (indice d'octane R.M. de va- leur.80). Le moteur tourne à 1250 tours/minute, le calage de la première injection Pl est de 3600 avant la fin de la course de compression et le calage de la deuxième injection P., est de 20o avant la fin de cette course.
Les quantités d'essence injectées lors de la pre mière injection ont été choisies successivement éga- les à 16 %, 30 0/0, 39 1% et 50'% de la quantité totale d'essence.
A la fig. 1, sont représentées les courbes A";, A3o, A39 et A5o correspondant respecti vement à chacun de ces débits ; la courbe Ao repré sentée à titre comparatif correspond au cas du même moteur dans lequel tout le carburant est injecté en une fois.
La comparaison des courbes Alo, A3o, A3,,) et A;;,, avec la courbe Ao met nettement en évidence la ré duction sensible du délai d'inflammation due à la double injection:
alors que dans le cas de l'injection unique l'inflammation se produit à 5o environ après le point mort haut, ce qui correspond à un délai d'inflammation de 250 environ d'angle de rotation du vilebrequin, ce délai ne représente plus que 101, environ d'angle de rotation du vilebrequin pour des proportions d'essence de l'injection carburante de l'ordre de 39 à 50,% de la quantité totale d'essence consommée.
Cette réduction du délai d'inflammation se tra duit par une montée de pression progressive, qui assure une marche très douce du moteur tout en obtenant des pressions maxima voisines de 85 kg/ cm'-, c'est-à-dire avec un bon rendement par rapport à celui qui correspond dans les mêmes conditions à l'injection unique. Le rendement pour une puis sance donnée varie en fonction de l'importance res pective des deux injections. Le tableau ci-après fait ressortir indirectement les variations du rendement en indiquant la consommation d'essence en grammes par cheval/heure correspondant à diverses propor tions de combustible faisant l'objet de la première injection Pl.
<I>Tableau 1</I> Débit Pl en o/o du débit Consommation en essence total de combustible (g/ch/heure) 0 (par comparaison) 168 20 162 30 158 40<B>156</B> 50 157 II ressort du tableau ci-dessus que les meilleurs rendements sont obtenus avec une première injection représentant 30 à 50'% de la quantité totale injectée.
De même les indice Bacharach de fumée sont faibles pour les dosages respectifs correspondant à ces proportions, ainsi qu'il ressort du tableau II ci- dessous <I>Tableau II</I>
EMI0002.0061
Débit <SEP> Pl <SEP> en <SEP> o/o <SEP> Indices <SEP> Bacharach
<tb> du <SEP> débit <SEP> total <SEP> de <SEP> fumée
<tb> 0 <SEP> 5,5
<tb> 20 <SEP> 4,5
<tb> 30 <SEP> 3,0
<tb> 40 <SEP> 2,5
<tb> 50 <SEP> 2,0 En définitive,
il apparait que les débits optima pour la première injection vont de 40 à 50 % de la quantité totale d'essence injectée.
<I>Exemple 2</I> On fait fonctionner le moteur dans les mêmes conditions qu'à l'exemple 1, mais avec une alimen tation au gas-oil.
On recherche de même les conditions optima de dosage de la première injection, en choisissant celle- ci successivement égale à 30 fl/o, 35'%, 42 0/0, 50 0/0.
A la fig. 2., sont représentées les courbes D;;,, D5o correspondant respectivement à cha cun de ces dosages ; la courbe Do donnée à titre com paratif correspond au cas du même moteur fonc tionnant avec injection unique.
La comparaison de ces courbes montre, comme à l'exemple 1, l'influence du réglage du dosage de la première injection sur les caractéristiques des courbes de combustion, tant au point de vue du dé lai d'inflammation que de la pression maxima et du rendement. D'excellentes conditions de marche sont obtenues notamment pour des débits de première in- jection représentant de 20 à 45 % de la quantité totale de gas-oil et de préférence voisines de 30 0/0 de cette même quantité.
D'autres valeurs sont données dans le tableau qui suit <I>Tableau 111</I>
EMI0002.0092
Débit <SEP> Pl <SEP> en <SEP> % <SEP> Consommation <SEP> Indices
<tb> du <SEP> débit <SEP> total <SEP> en <SEP> gas-oil <SEP> de
<tb> de <SEP> gas-oil <SEP> (g/ch/h,eure) <SEP> fumée
<tb> 0 <SEP> 182 <SEP> 7,0
<tb> 20 <SEP> 178 <SEP> 3,0
<tb> 30 <SEP> 175 <SEP> 2,7
<tb> 40 <SEP> 187 <SEP> 3,4
<tb> 50 <SEP> 195 <SEP> 4,1 Il convient de remarquer d'autre part que lorsque la première injection représente de 35 à 501)/o de la quantité totale de combustible consommée le dé lai d'inflammation est pratiquement nul, ce qui se traduit par une plus grande souplesse de fonctionne ment due à une montée de pression très progressive.
<I>Exemple 3</I> On fait tourner le moteur à 1250 tours/minute en l'alimentant à l'essence, la première injection re présentant 50% de la quantité totale.
On recherche, dans ces conditions, les calages optima de la première injection pour un calage de la deuxième injection fixé à 20 avant la fin de la course de compression.
A la fig. 3, sont représentées les courbes G3.,,,, G3oo et G380 correspondant à des calages de la pre mière injection de 340, 360 et 380,1 respectivement avant la fin de la course de compression, la courbe G,0 indiquée à titre comparatif correspond au cas du même moteur à injection unique.
L'examen de ces courbes met en évidence le fait que d'excellentes conditions de marche (montée de pression progressive, réduction du délai d'inflamma- tion, augmentation du rendement) sont obtenues pour ces divers calages, correspondant à un déphasage des deux injections successives compris entre 320 et 360,1 d'angle de rotation du vilebrequin, la première in jection se faisant, dans tous les cas, dans les gaz chauds résiduels.
Le choix entre ces divers calages peut être effectué, toutes conditions égales par ailleurs, en te nant compte non seulement des délais d'inflamma- tion, mais encore de la consommation spécifique ou des indices de fumées, résultats qui apparaissent au tableau ci-après <I>Tableau IV</I>
EMI0003.0015
Calage <SEP> Délai <SEP> Consommation <SEP> Indices
<tb> de <SEP> la <SEP> première <SEP> d'inflammation <SEP> spécifique <SEP> de
<tb> injection <SEP> en <SEP> degrés <SEP> (g/ch/heure) <SEP> fumée
<tb> 340 <SEP> 14 <SEP> 160 <SEP> 1,0
<tb> 360 <SEP> 10 <SEP> 157 <SEP> 2,0
<tb> 380 <SEP> 8 <SEP> 156 <SEP> 3,
2 <I>Exemple 4</I> On fait fonctionner le moteur à 1250 tours/mi- nute en l'alimentant au kérosène, le calage de la première injection égale à 50,% du total, étant de 380 avant la fin de la course de compression et celui de la deuxième injection 200 avant cette fin de course.
A la fig. 4 sont représentées les courbes Ll et L, correspondant respectivement à un fonctionnement en pleine charge et à 3/4 de charge.
L'examen de ces courbes montre que les condi tions de marche valables pour un fonctionnement à l'essence le sont également pour un fonctionnement au kérosène, l'allumage ayant cependant tendance à se produire dans ce dernier cas légèrement avant la deuxième injection. Cependant, comme on le voit d'après la courbe L < ,, les caractéristiques de la com bustion s'améliorent en opérant à 3/4 de charge. Ceci est d'ailleurs confirmé par le fait que la consomma tion spécifique en grammes de combustible par ch/heure qui atteint 195 à pleine charge n'est que de l'ordre de 180 à 3/4 de charge.
<I>Exemple 5</I> La première injection et la deuxième injection sont calées respectivement à 360 et 20 avant la fin de la course de compression; le moteur est alimenté à raison de 50 % pour chacune des injections, au moyen d'une essence ayant un indice d'octane R.M. de 90. Le moteur développe une puissance de 50 ch à pleine charge à 1250 tours/minute.
Malgré la va leur élevée de l'indice d'octane de l'essence utilisée, on obtient de bonnes conditions de marche et no tamment un délai d'inflammation réduit à 120 d'an gle de rotation du vilebrequin.
Le choix de l'angle de déphasage entre la pre mière injection et la fermeture d'échappement per met de doser la quantité de gaz résiduels dans la quelle s'effectue cette injection et, par conséquent, l'intensité de l'échange thermique assurant le cra quage partiel de la fraction de combustible faisant l'objet de la première injection et le degré d'oxyda tion de cette dernière. Mais c'est surtout par le choix du calage de la première injection carburante par rapport à celui de l'ouverture d'admission que l'on peut, agir sur l'intensité des réactions de craquage et d'oxydation, les contrôler et les maîtriser en réglant leur durée.
En effet, l'ouverture d'admission, en assu rant la pénétration du gaz comburant à la tempéra ture ambiante abaisse très rapidement la température du mélange gazeux, provoquant ainsi l'arrêt des di verses réactions.
Pour effectuer les deux injections nécessaires on peut utiliser deux pompes d'injection ayant chacune le même nombre de cylindres que celui du moteur, ces pompes présentant une commande permettant de faire varier à volonté, à la fois. le rapport des quan tités de combustible correspondant aux deux injec tions et l'angle de déphasage de ces :deux injections successives destinées au même cylindre.
Une solution simple, permettant d'éviter l'emploi de deux pompes., consiste à construire un arbre à cames approprié pour la pompe d'injection, de ma- nière à fixer l'angle de déphasage entre les deux in jections successives destinées au même cylindre.
Toutefois, cette solution impose le maintien d'un rapport fixe des quantités de combustible faisant l'objet respectivement de la première injection et de la deuxième injection ainsi qu'un déphasage fixe en tre ces deux injections.
On pourrait aussi utiliser une pompe à injection normale (sans modification de l'arbre à carnes) mais dont le fonctionnement est associé à la rotation d'une pièce tournant à la vitesse du vilebrequin. Il y a alors deux injections de quantités égales de combustible par cycle, ces deux injections étant séparées par l'in tervalle de temps correspondant à la durée d'une rotation de 360o du vilebrequin.
Un même résultat peut être obtenu avec une pompe fonctionnant à demi-vitesse du vilebrequin, pompe dont l'arbre à came comporte des cames à deux lobes, symétriques ou décalés l'un par rapport à l'autre d'un angle moi tié de celui représentant le déphasage recherché entre les deux injections.
Le même résultat peut d'ailleurs être obtenu éga lement au moyen d'une pompe ayant un nombre de cylindres doubles de celui du moteur, et entraînée à une vitesse moitié de celle du vilebrequin. Dans ce cas chaque injecteur est relié à deux cylindres de la pompe, déphasée de 3600 d'angle de rotation du vilebrequin. Ces deux derniers types d'aménagement présentent l'avantage de permettre l'utilisation du dispositif normal de commande et de régulation de la pompe d'injection.
Method of operating a compression-ignition engine The present invention relates to a method of operating a four-stroke compression-ignition engine, characterized in that two successive injections are carried out at each cycle in the cylinder. of the same fuel, the first of which is carried out;
between 320 and 380 before the end of the compression stroke, this injection representing at most 50% of the total quantity of fuel introduced per cycle into the cylinder.
This process allows a more flexible combustion, whatever the fuel used, and an increased power for a given rise in pressure, which makes possible in particular the supply by means of fuels lighter than diesel, such as for example gasolines, including high octane gasolines that are normally used in spark ignition engines.
In the case of a diesel supply, the quantity injected during the first injection may advantageously represent from 20 to 45 11 / o of the total quantity of diesel injected.
In the case of a supply of petrol with a higher octane number than diesel, the quantity injected during the first injection may be advantageously chosen between 30 and 501% of the total quantity of petrol. injected per cycle.
Experience shows that the process according to the invention makes it possible to very appreciably reduce the ignition delay, so that the rise in pressure during ignition takes place in a progressive and consequently less sudden manner. , while maintaining good performance. In what follows, several examples of implementations of the method according to the invention will be described.
The engine chosen for these examples of applications has the following characteristics 2 cylinders in line Power: 50 hp at 1250 revolutions / minute Bore: 140 mm Stroke: 180 mm Compression ratio: 15.
The timing is adjusted so that the opening and closing of the intake valve occurs at 120 before top dead center and 360 after bottom dead center, respectively, and the opening and closing of the inlet valve occurs. exhaust valve occur at 360 before bottom dead center and at 121) after top dead center, respectively.
The engine is equipped with 2 injection pumps each having two cylinders and supplying the engine in jectors in parallel. To make it possible to observe the influence of the adjustment parameters of the 2 injections on the performance of the engine and on the development of the combustion, the pressure diagrams were recorded as a function of the angle of rotation of the crankshaft using d 'a strobocathodic manograph. The smoke density was evaluated by the Bacharach method, which consists in evaluating the blackening of a filter paper after the passage of a defined volume of flue gases.
<I> Example 1 </I> Regular gasoline (R.M. octane number of value 80). The engine rotates at 1250 revolutions / minute, the timing of the first injection P1 is 3600 before the end of the compression stroke and the timing of the second injection P. is 20o before the end of this stroke.
The quantities of gasoline injected during the first injection were chosen successively to be 16%, 30%, 391% and 50% of the total quantity of gasoline.
In fig. 1, are shown the curves A ";, A3o, A39 and A5o corresponding respectively to each of these flow rates; the curve Ao shown for comparison corresponds to the case of the same engine in which all the fuel is injected at once.
A comparison of the curves Alo, A3o, A3 ,,) and A ;; ,, with the curve Ao clearly shows the significant reduction in the ignition delay due to the double injection:
whereas in the case of the single injection the ignition occurs at approximately 5o after top dead center, which corresponds to an ignition delay of approximately 250 crankshaft rotation angle, this delay only represents 101, approximately the angle of rotation of the crankshaft for fuel injection gasoline proportions of the order of 39 to 50% of the total quantity of gasoline consumed.
This reduction in the ignition delay is reflected in a gradual increase in pressure, which ensures very smooth running of the engine while obtaining maximum pressures of around 85 kg / cm'-, that is to say with a good yield compared to that which corresponds under the same conditions to the single injection. The yield for a given power varies according to the respective importance of the two injections. The table below shows indirectly the variations in efficiency by indicating the fuel consumption in grams per horse / hour corresponding to various proportions of fuel being the subject of the first injection P1.
<I> Table 1 </I> Flow Pl in o / o of flow Total fuel gasoline consumption (g / hp / hour) 0 (by comparison) 168 20 162 30 158 40 <B> 156 </B> 50 157 It emerges from the table above that the best yields are obtained with a first injection representing 30 to 50% of the total quantity injected.
Likewise, the Bacharach smoke indexes are low for the respective dosages corresponding to these proportions, as is apparent from Table II below <I> Table II </I>
EMI0002.0061
Debit <SEP> Pl <SEP> in <SEP> o / o <SEP> Indices <SEP> Bacharach
<tb> of <SEP> total <SEP> flow <SEP> of <SEP> smoke
<tb> 0 <SEP> 5.5
<tb> 20 <SEP> 4.5
<tb> 30 <SEP> 3.0
<tb> 40 <SEP> 2.5
<tb> 50 <SEP> 2.0 Ultimately,
it appears that the optimum flow rates for the first injection range from 40 to 50% of the total quantity of gasoline injected.
<I> Example 2 </I> The engine is operated under the same conditions as in Example 1, but with a diesel fuel supply.
The optimum metering conditions for the first injection are likewise sought, by choosing the latter successively equal to 30 fl / o, 35%, 42 0/0, 50 0/0.
In fig. 2., the curves D ;; ,, D50 corresponding respectively to each of these assays are shown; curve Do given for comparison corresponds to the case of the same engine operating with single injection.
The comparison of these curves shows, as in Example 1, the influence of the adjustment of the dosage of the first injection on the characteristics of the combustion curves, both from the point of view of the ignition time and of the maximum pressure and performance. Excellent operating conditions are obtained in particular for first injection flow rates representing 20 to 45% of the total quantity of gas oil and preferably close to 30% of this same quantity.
Other values are given in the following table <I> Table 111 </I>
EMI0002.0092
Flow <SEP> Pl <SEP> in <SEP>% <SEP> Consumption <SEP> Indices
<tb> of <SEP> total flow <SEP> <SEP> in <SEP> diesel <SEP> of
<tb> of <SEP> diesel <SEP> (g / ch / h, eure) <SEP> smoke
<tb> 0 <SEP> 182 <SEP> 7.0
<tb> 20 <SEP> 178 <SEP> 3.0
<tb> 30 <SEP> 175 <SEP> 2.7
<tb> 40 <SEP> 187 <SEP> 3,4
<tb> 50 <SEP> 195 <SEP> 4,1 It should be noted on the other hand that when the first injection represents from 35 to 501) / o of the total quantity of fuel consumed, the ignition time is practically zero, which results in greater flexibility of operation due to a very gradual rise in pressure.
<I> Example 3 </I> The engine is run at 1250 revolutions / minute by fueling it with gasoline, the first injection representing 50% of the total quantity.
Under these conditions, the optimum first injection timings are sought for a second injection timing fixed at 20 before the end of the compression stroke.
In fig. 3, are shown the curves G3. ,,,, G3oo and G380 corresponding to settings of the first injection of 340, 360 and 380.1 respectively before the end of the compression stroke, the curve G, 0 indicated as comparison corresponds to the case of the same single injection engine.
Examination of these curves highlights the fact that excellent operating conditions (gradual pressure rise, reduction of the ignition delay, increase in efficiency) are obtained for these various settings, corresponding to a phase shift of the two. successive injections between 320 and 360.1 of the angle of rotation of the crankshaft, the first injection being in all cases in the residual hot gases.
The choice between these various settings can be made, all conditions being equal, by taking into account not only the ignition delays, but also the specific consumption or smoke indices, results which appear in the table below. <I> Table IV </I>
EMI0003.0015
Setting <SEP> Delay <SEP> Consumption <SEP> Indices
<tb> of <SEP> the first <SEP> inflammation <SEP> specific <SEP> of
<tb> injection <SEP> in <SEP> degrees <SEP> (g / ch / hour) <SEP> smoke
<tb> 340 <SEP> 14 <SEP> 160 <SEP> 1.0
<tb> 360 <SEP> 10 <SEP> 157 <SEP> 2.0
<tb> 380 <SEP> 8 <SEP> 156 <SEP> 3,
2 <I> Example 4 </I> The engine is operated at 1250 revolutions / minute by fueling it with kerosene, the first injection timing equal to 50% of the total being 380 before the end of the the compression stroke and that of the second injection 200 before this end of stroke.
In fig. 4 are shown the curves L1 and L, corresponding respectively to operation under full load and 3/4 load.
Examination of these curves shows that the operating conditions valid for operation with gasoline are also valid for operation with kerosene, ignition however tending to occur in the latter case slightly before the second injection. However, as seen from the L <,, curve, the combustion characteristics improve when operating at 3/4 load. This is moreover confirmed by the fact that the specific consumption in grams of fuel per hp / hour, which reaches 195 at full load, is only of the order of 180 at 3/4 load.
<I> Example 5 </I> The first injection and the second injection are set at 360 and 20 respectively before the end of the compression stroke; the engine is supplied at a rate of 50% for each injection, by means of a petrol having an octane number R.M. of 90. The engine develops a power of 50 hp at full load at 1250 rpm.
Despite the high value of the octane number of the gasoline used, good running conditions are obtained and in particular an ignition delay reduced to 120 angles of rotation of the crankshaft.
The choice of the phase angle between the first injection and the exhaust closure makes it possible to measure the quantity of residual gases in which this injection is carried out and, consequently, the intensity of the heat exchange ensuring the partial cracking of the fuel fraction which is the subject of the first injection and the degree of oxidation of the latter. But it is above all by choosing the timing of the first fuel injection in relation to that of the intake opening that it is possible to act on the intensity of the cracking and oxidation reactions, to control them and control by adjusting their duration.
In fact, the inlet opening, by ensuring the penetration of the oxidizing gas at ambient temperature, very rapidly lowers the temperature of the gas mixture, thus causing the various reactions to stop.
To perform the two necessary injections, it is possible to use two injection pumps each having the same number of cylinders as that of the engine, these pumps having a control making it possible to vary at will, at the same time. the ratio of the quantities of fuel corresponding to the two injections and the phase shift angle of these: two successive injections intended for the same cylinder.
A simple solution, making it possible to avoid the use of two pumps, consists in constructing an appropriate camshaft for the injection pump, so as to fix the phase shift angle between the two successive injections intended for the injection. same cylinder.
However, this solution imposes the maintenance of a fixed ratio of the quantities of fuel forming the subject of the first injection and of the second injection respectively, as well as a fixed phase shift between these two injections.
One could also use a normal injection pump (without modification of the camshaft) but the operation of which is associated with the rotation of a part rotating at the speed of the crankshaft. There are then two injections of equal amounts of fuel per cycle, these two injections being separated by the time interval corresponding to the duration of a 360o rotation of the crankshaft.
The same result can be obtained with a pump operating at half the speed of the crankshaft, the pump of which the camshaft comprises cams with two lobes, symmetrical or offset with respect to each other by an angle half of that representing the phase shift sought between the two injections.
The same result can also be obtained also by means of a pump having a number of cylinders double that of the engine, and driven at a speed half that of the crankshaft. In this case each injector is connected to two cylinders of the pump, out of phase by 3600 angle of rotation of the crankshaft. These last two types of arrangement have the advantage of allowing the use of the normal control and regulation device of the injection pump.