1940 : L'injection directe évite de réchauffer l'alcool moteur et augmente le rendement

L'EMPLOI DE L'ALCOOL COMME CARBURANT POUR LES AUTOMOBILES

Histoire de l'E85 / Superéthanol du XIXe siècle à nos jours

L'alcool éthylique constitue le carburant de remplacement le plus facile à employer actuellement. Les stocks existants en 1940 ont été réservés à des services publics, et le nombre des voitures autorisées à fonctionner à l'alcool est assez restreint.

Toutefois, on fonde de grands espoirs sur l'emploi de ce carburant que l'on pourrait produire en France en grandes quantités, soit par hydrolyse du bois, soit par distillation de produits agricoles divers, faciles à produire en grandes quantités : pommes de terre, topinambours, betteraves, céréales, etc.

L'emploi de l'alcool dans les moteurs conçus pour la marche à l'essence, comme ceux des automobiles ordinaires, présente toutefois certaines difficultés. A rendement égal, la consommation d'alcool devrait être, par rapport à celle d'essence, dans le rapport inverse des pouvoirs calorifiques, 5300 cal pour l'alcool à 95° et 7600 cal pour l'essence, soit 1,4, ou 14 litres d'alcool pour 10 litres d'essence.

Des essais récents ont montré que, pratiquement, le rapport des consommations variait, pour un certain nombre de voitures, entre 1,6 et 2,5; cette mauvaise utilisation provient de ce que les moteurs essayés n'avaient pas reçu les transformations nécessaires pour la marche à l'alcool.

Nous allons indiquer ces transformations et quelques-uns des dispositifs à adopter à cet effet; nous décrirons ensuite un système particulier d'utilisation de l'alcool dans les moteurs d'automobiles : le dispositif Retel, qui présente des avantages importants.

Transformations nécessaires.

Le fonctionnement à l'alcool est caractérisé essentiellement par sa faible volatilité et par sa chaleur de vaporisation élevée. L'alcool à 95° a une chaleur de vaporisation de 309 cal/kg et l'essence de 80 cal/kg seulement.

Pour employer correctement l'alcool dans un moteur conçu pour l'essence, il faut donc :

1. Prévoir un réchauffage initial pour la mise en route par temps froid, ou bien démarrer avec un liquide plus volatil que l'alcool ;
2. Pendant la marche, fournir au système de carburation, c'est-à-dire à l'ensemble de la tuyauterie et du carburateur, un apport de chaleur six fois plus grand que celui qui est nécessaire pour le fonctionnement à l'essence.

Les principales transformations à effectuer sont donc les suivantes :

1. installer un dispositif de mise en route à froid;
2. établir une tuyauterie d'aspiration autour de laquelle circule la majeure partie des gaz d'échappement, en la réchauffant, et prévoir une prise d'air chaud sur le carburateur.

Carburateurs et dispositifs spéciaux.

Quand le moteur au repos est à une température inférieure à 25°, la mise en route ne peut se faire sur l'alcool sans un artifice, lequel consiste à emprunter de l'énergie à la batterie d'accumulateurs. Il suffit, pour un moteur de 2 litres de cylindrée, de la quantité d'énergie fournie par 120 W pendant 2 minutes, soit 4 Wh.

Fig. 1. Installation pour le fonctionnement à l'alcool d'un moteur d'automobile avec carburateur Zénith.

A, ampèremètre; — B, batterie d'accumulateurs; — C, bride réchauffée par les gaz d'échappement;  —  D, tirette du starter;— E, réservoir de départ; — F, Iloite de réchauffage; — G, bride intermédiaire; — H, arrivée d'alcool; — M, masse.

Dans le dispositif Zénith, qui comporte un starter de mise en marche muni d'une cuve à niveau constant (fig. 1), une tuyauterie de 8 mm de diamètre conduit l'émulsion dans une fausse bride interposée entre le carburateur et la tuyauterie; cette bride à double paroi est réchauffée par une dérivation de l'échappement. Le chauffage électrique, pour le démarrage, est réalisé par une résistance roulée en hélice et placée dans la tubulure même d'amenée du mélange d'air et d'alcool.

Dès que le moteur a démarré, on peut supprimer le chauffage électrique. Le moteur continue alors de fonctionner sans réchauffage, bien que la quantité de chaleur apportée à la bride chauffante par le courant soit tout à fait insuffisante pour assurer la vaporisation jusqu'à ce que les gaz d'échappement aient chauffé la bride à double paroi.

En réalité, la chaleur nécessaire pour produire la vaporisation de l'alcool provient alors de la compression du mélange gazeux dans le cylindre; cette chaleur suffit pour permettre le fonctionnement du moteur pendant la période critique des premiers tours, jusqu'à ce que les gaz d'échappement aient réchauffé suffisamment la bride.

Fig. 2. — Coupe d'un carburateur Solex pour le fonctionnement à l'alcool.

a, pipe de raccord d'arrivée d'essence: - b, gicleur à starter: - c, boisseau; - d, orifice d'entrée d'air; - e, pointeau: - f, orifice de glace du starter; - g, papillon des gaz: - h, gicleur d'air du starter; - i, gicleur principal ; - j, pointeau appauvrisseur ; - k, manette du pointeau.

Une autre solution consiste à utiliser un liquide plus volatil : essence, mélange d'alcool et d'acétone, etc.

Le carburateur Solex (fig. 2), permet le démarrage à l'essence et la marche normale à l'alcool; il comporte un gicleur supérieur à essence et un gicleur inférieur au gaz.

En marche normale, l'insuffisance du réchauffage a de graves inconvénients, notamment une consommation excessive d'alcool, car ce carburant arrivant alors à l'état liquide dans les cylindres y brûle incomplètement.

De plus, il y a une usure très rapide des cylindres et des segments qui provient, d'une part, d'un défaut de graissage, l'huile étant lavée par l'alcool liquide, et, d'autre part, de la corrosion provenant des produits de combustion incomplète de l'alcool, tels que l'acide acétique. Il faut donc graisser les hauts de cylindres par un dispositif de superhuilage convenable.

Comparaison du fonctionnement à l'essence et à l'alcool.

Un moteur étant bien adapté à l'alimentation à l'alcool, la consommation mesurée en calories au cheval-heure, ou aux 100 km, est sensiblement la même, que l'on emploie l'alcool ou l'essence ; cette consommation peut même être légèrement inférieure dans le cas de l'alcool, grâce à son pouvoir indétonant.

La Technique automobile d'août a donné les résultats d'essais effectués sur un moteur Peugeot type 402 B, transformé pour la marche à l'alcool; les dispositions suivantes y ont été introduites :

1. dispositif de mise en route à froid ;
2. réchauffage de la tuyauterie d'aspiration ;
3. prise d'air chaud sur l'échappement ;
4. remplacement de la culasse de série à compression 7, par une culasse spéciale, à rapport volumétrique égal à 9.

Fig. 3. Consommations d'alcool et d'essence dans le moteur d'une même voiture.

La figure 3 montre les courbes de consommation obtenues avec de l'alcool à 96° et à 99,6° et, à titre de comparaison, une courbe obtenue sur une autre voiture avec de l'essence.

Avec de l'alcool à 96° la consommation à 90 km/h est de 14,20 litres aux 100 km, contre 12,10 litres pour l'essence, et avec de l'alcool à 99,6°, de 13,30 litres.

En outre, la consommation, évaluée en calories a été très avantageuse dans, le cas de l'alcool. Entre 30 et 110 km/h, la voiture à essence consomme de 72000 à 120000 cal aux 100 km, tandis que la voiture à alcool (à 96°) consomme de 52000 à 96500 cal seulement. Avec de l'alcool absolu, la consommation en calories est encore plus réduite.

L'alcool éthylique peut donc devenir un excellent carburant, à condition que des dispositions, relativement simples d'ailleurs, soient adoptées pour obtenir sa combustion complète.

Le dispositif Retel.

Le dispositif Retel, décrit par M. Charles Faroux dans la Vie automobile du 25 juillet, a été l'objet d'une communication de l'inventeur à l'Académie des Sciences, cf annexe; il comporte l'injection directe du combustible dans le cylindre en fin de compression, avec allumage commandé; une autre communication plus détaillée sur ce dispositif a été présentée à la séance du 26 novembre de l'Académie d'Agriculture, par M. Javillier, qui a exposé les avantages du système, et indiqué que l'alcool doit devenir le carburant agricole par excellence et fournir aux exploitations rurales l'énergie nécessaire.

A la suite de cette communication, M.G. Coupan a rappelé que l'emploi de l'alcool dans les moteurs avait déjà été mis à l'étude par le Ministère de l'Agriculture dès 1901. A cette époque déjà les meilleurs résultats avaient été obtenus avec des dispositifs d'injection mécanique, comportant les réglages voulus concernant le point d'injection, le dosage du combustible, etc. Ces systèmes ont cependant disparu devant les carburateurs, parce que l'alcool et l'essence ne lubrifient pas les organes des pompes d'injection et même les dégraissent, provoquant ainsi leur usure rapide.

Le système Retel a été conçu pour donner au moteur d'automobile les avantages que confère déjà l'injection au moteur d'aviation. On sait en effet que, dans un moteur à plusieurs cylindres, la richesse du mélange d'air et de combustible formé par le carburateur varie dans d'assez fortes proportions, non seulement d'un cylindre à un cylindre voisin, mais aussi pour le même cylindre, d'une cylindrée à la suivante; d'où la nécessité, si l'on ne veut pas courir le risque d'avoir des cylindres alimentés systématiquement de mélanges pauvres brûlant mal, de maintenir le mélange carburé à un taux de richesse trop élevé, entraînant une consommation de combustible exagérée.

Le dispositif Retel, en permettant l'injection directe dans chaque cylindre de quantités égales de combustible, assure donc aux différents cylindres une alimentation identique. Il donne ainsi la possibilité de réduire la richesse moyenne des mélanges utilisés et permet, par suite, de diminuer notablement la consommation de carburant. Cet avantage important vaut quel que soit le combustible utilisé : essence, cétones, alcools, etc.

Dans le cas de l'alcool, l'emploi de l'injection supprime la nécessité du réchauffage préalable pendant la marche. Il élimine aussi l'obligation du réchauffage initial lors du démarrage à froid, car le combustible étant finement pulvérisé dans la chambre de combustion, se vaporise et s'enflamme dès les premières compressions.

Fig. 4 et 5. Alimentation d'un moteur par l'alcool, suivant le dispositif Retel, par injection directe du carburant et allumage commandé.

A, distributeur de carburant; — B, injecteur; — C, cammande du distributeur; — D, tringlerie de commande; — E, pédale de l'accélérateur; — F, commande du volet d'air; — G, pompe d'alimentation; --- H, dynamo.

Le dispositif Retel (fig. 4 et 5) comporte un distributeur A placé sur la culasse et entraîné à demi-vitesse du moteur par la transmission commandant le Delco ou une transmission analogue. Ce distributeur envoie à chacun des injecteurs B une quantité exactement dosée de carburant. Un levier C, relié par la tringlerie D à la pédale d'accélérateur E, permet de faire varier la quantité de combustible injectée. La tringlerie D actionne en même temps le volet d'admission d'air F, qui peut être simplement le papillon du carburateur si la voiture en comporte.

Le combustible, en l'espèce l'alcool, est envoyé au distributeur A par une pompe G, entraînée par le moteur, à une pression qui dépend de sa vitesse. L'ensemble est établi de façon que la quantité de combustible injectée reste exactement proportionnelle au poids d'air admis, quelles que soient la vitesse et la charge du moteur. Pour passer d'un combustible à l'autre, il suffit de modifier la position de la rotule de commande du levier C sur le curseur gradué porté par ce levier.

La transformation d'une voiture pour utiliser ce système est facile ; le montage du dispositif peut être fait de la même façon que celui de l'appareil d'allumage Delco, symétriquement par rapport à cet appareil.

La pompe d'injection peut être fixée sur la dynamo et entraînée par courroie.

La culasse du moteur doit comporter les bossages nécessaires au passage des injecteurs, ce qui nécessite, pour certains moteurs, le remplacement de la culasse, tandis que sur d'autres moteurs les injecteurs peuvent être placés directement.

Des essais prolongés ont montré que l'injection directe à allumage commandé permet d'obtenir des résultats remarquables : la marche est régulière, le moteur n e fatigue pas et le départ à froid est instantané.

Le dispositif utilisé avec l'essence a produit une augmentation de puissance de 10% et une économie d'énergie calorifique de 12%. Avec de l'alcool à brûler à 90°, l'augmentation de puissance a été de 6%. Avec de l'alcool éthylique à 95°, d'un pouvoir calorifique de 6600 cal/kg, l'augmentation de puissance a été de 24 %, la diminution d'énergie calorifique de 13,8%

En utilisation sur une voiture, le dosage exact du carburant et de l'air à tous les régimes se traduit, outre une économie très importante de combustible, par une qualité des reprises et une souplesse de marche remarquables.

Annexe : L'emploi de l'alcool éthylique dans les moteurs à injection directe avec allumage commandé (Note de M. René RETEL)

Au cours d'essais sur moteurs destinés à déterminer les possibilités d'emploi des différents carburants de remplacement, j'ai été amené à utiliser l'alcool éthylique hydraté. Cet alcool, d'une densité de 0,816, titrait 75°. Il était injecté directement dans le cylindre du moteur d'essai à l'aide d'un dispositif spécialement construit.

Le moteur utilisé était un monocylindre à 4 temps, d'une cylindrée de 2,645 litres, dont le rapport volumétrique pouvait être modifié à volonté entre 6 et 8. Au cours des essais, on mesurait au maximètre les pressions maxima de combustion, et l'on notait les pressions marquées par l'appareil lorsque les combustions prenaient une allure détonante.

Les essais de base effectués au carburateur avec de l'essence, densité 0,750, pouvoir calorifique 10700 calories au kilogramme, ont permis d'obtenir, à la vitesse de 2 000 t/mn et pour un rapport volumétrique de 6, une puissance de 46,6 ch. Pour ce régime, la pression de combustion était de 38,5 kg/cm2. Les pressions de détonation enregistrées dépassaient 80 kg/cm2 et caractérisaient un moteur à limite de fonctionnement normal.

Alimenté à l'alcool injecté, le même moteur, sans aucune modification, a donné pour la même vitesse de fonctionnement et un rapport volumétrique de 8, une puissance de 60,3 ch. La pression moyenne de combustion était de 43 kg/cm2 ; il n'y avait pas de détonation.

La pression moyenne, qui était de 7,93 kg/cm2 dans le premier cas, a atteint 10,30 kg/cm2 dans le second, soit une augmentation de 29,9%. Cette augmentation est due à l'emploi simultané de l'alcool éthylique et de l'injection directe.

Les mesures faites en faisant varier les rapports volumétriques et en utilisant des combustibles différents montrent que cette augmentation provient principalement :

1. De l'augmentation de remplissage du moteur par suite d'un refroidissement plus énergique de l'air admis. La masse de combustible utilisée est, en effet, plus importante dans le cas de l'alcool que dans celui de l'essence. De plus, la chaleur latente de vaporisation est plus élevée. Pour ces deux raisons, le poids d'air de la cylindrée augmente d'environ 5%.
2. De l'énergie calorifique comparativement plus élevée que fournit l'alcool pour un même poids d'air utilisé. Dans le cas de l'alcool éthylique pur, ce supplément d'énergie est de. 6,6%. Ce chiffre a été obtenu en prenant 100° comme température inférieure d'évolution des gaz du cycle et 6720 cal/kg comme pouvoir calorifique de l'alcool à cette température.
3. De la régularité d'alimentation plus grande donnée par l'injection. Il en résulte une meilleure utilisation de l'air de chaque cylindrée, d'où une augmentation de puissance de l'ordre de 5%
4. De l'accroissement de rendement thermodynamique résultant de l'augmentation du rapport volumétrique de 6 à 8, soit un gain de. 11,5%

La puissance se trouve donc finalement augmentée dans le rapport de 1 à (1,05 X 1,066 X 1,05 X 1,115) = 1,31, soit un gain de 31%.

Il est important de remarquer que, malgré l'augmentation très grande de la pression moyenne, les pressions maxima n'augmentent que de 11%, passant de 38,5 à 43 kg/cm2. Ce fait est lié à la rapidité de la propagation de la flamme dans le cylindre.

Il montre que le procédé de l'injection directe avec allumage commandé, tout en permettant des rapports volumétriques élevés, conserve des combustions progressives évitant les montées en pression dangereuses auxquelles conduit l'auto-inflammation du combustible dans les moteurs du cycle Diesel.

Les essais précédents, effectués de décembre 1940 à février 1941, ont été repris sur un moteur à 4 cylindres de 85 mm d'alésage, 105 mm de course, alimenté suivant le même principe ; ils ont donné des résultats du même ordre.

Le dispositif d'injection ayant été établi de manière à maintenir la proportionnalité de la quantité de combustible injectée au poids de l'air admis aux différents régimes de marche, le moteur a pu servir à l'équipement d'une voiture automobile.

Les résultats des essais effectués avec cette voiture confirment entièrement les résultats trouvés au banc.

L'augmentation de puissance résultant de l'emploi de l'alcool injecté atteint pratiquement 20% de la puissance obtenue avec le carburateur et l'essence. L'essence injectée procure une augmentation de 10% L'économie d'énergie réalisée est de l'ordre de 15% dans les deux cas.

Ces résultats sont de nature :

1. A orienter l'industrie automobile dans la voie de la construction de moteurs à injection directe avec allumage commandé ;
2. A développer l'utilisation de l'alcool dans les moteurs, l'alcool étant un carburant de haute qualité.

(.../...) suite de l'histoire sur 1953 : J.O de la R.F; Rapport sur alcool moteur, technologies disponibles et avis

Référence de l'article :
L'emploi de l'alcool éthylique dans les moteurs à injection directe avec allumage commandé
1940 : L'injection directe évite de réchauffer l'alcool moteur et augmente le rendement
1953 : J.O de la R.F; Rapport sur alcool moteur, technologies disponibles et avis