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A new era for internal combustion engine (texte en français ci-dessous)

The Van Avermaete motor concept marks the beginning of a new four-stroke internal combustion engine era by redefining a new alliance between turbosupercharging and piston engines. The engine no longer suffers from limits at low pressure levels as is the case of a conventional engine (engine with a fixed compression ratio), since the supercharging pressure may reach 3 to 4 bars for road-vehicle engines and 6 to 7 bars for 40 000 hp engines. This new concept consists in varying the volume of the combustion chamber in function of the intake air density and temperature and the engine speed and temperature, by means of a single or double supercharging pressure with intercooling, in order to produce a hypersupercharging effect within the engine cylinders, with a substantially constant end of compression phase irrespective of the engine speed.

Technical characteristics

The engine has a combustion chamber per group of two cylinders and two parallel crankshafts. Both crankshafts are coupled at the same rotational speed by a variably timed transmission. The lead angle between the two crankshafts is adjusted in function of the engine load by a hydraulic thrustor which acts on the variably timed transmission. Said hydraulic thrustor is controlled electronically in function of the values measured several thousands of times per second by four sensors.

Hypersupercharged diesel engine application examples

The hypersupercharged 1 liter displacement diesel engine having 4 groups of two cylinders, is capable of developing 150 hp (110 kW) at 6000 rpm with a supercharging pressure of 3 bars.

The hypersupercharged 9 liter displacement diesel engine for road haulage tractors, having 8 groups of two cylinders, is capable of developing 845 hp (625 kW) at 2800 rpm with a supercharging pressure in excess of 4 bars.

Hypersupercharged diesel engines with higher outputs for rail tractors, ship propulsion and production of industrial energy, are capable of developing between 10 000 hp (7353 kW) and 45 000 hp (33075 kW) with supercharging pressures between 4 and 7 bars.

The hypersupercharged diesel engine also offers new prospects in the field of private aviation.

Hypersupercharged spark ignition engine application examples and associated control system

New applications of the hypersupercharged spark ignition engine may be envisaged with a half-liter displacement in 2 groups of 2 cylinders, a 1 liter displacement in 4 groups of two cylinders or with a 1.5 liter displacement in 6 groups of two cylinders and a 3 bar supercharging pressure. Both types of engines are capable of developing respectively 75, 150 and 225 hp at 5000 rpm.

Under atmospheric intake conditions, engine operation is governed by a compression ratio increase in function of the importance of the gas vacuum in the intake pipe (throttle slightly open). Inversely, under supercharging conditions, engine operation is governed by a reduction of the compression ratio in function of the importance of the supercharging pressure. The engine validation program requires a specific fuel octane number-engine operation combination. The program of said combination is established on an engine test bench by recording the evolution of gas mixture pressures and temperatures at the end of the compression phase, in order to define a substantially constant combustion temperature under the critical explosion point corresponding to the octane number of the type of fuel used. The engine manufacturer may accordingly validate engine operation with several programs to enable the user to select a program in function of the type of fuel available on the market.

Specific power increase

Compared to conventional engines having the same displacement, the specific power of the hypersupercharged engine is trebled and the weight to output ratio is halved.

The hypersupercharged diesel engine contributes to reducing air pollution in three ways

  • Gas mixture combustion is improved through greater air turbulences between the two cylinders during gasoil injection.
  • Permanent control of combustion gas temperatures and optimization of gas temperature law by the program reduces hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxide (NOx) emissions.
  • Cold start of engine does not require any preheating, except in polar regions.

The hypersupercharged spark ignition engine contributes to reducing air pollution in two ways

A more uniform gas mixture within the hypersupercharged spark ignition engine is achieved in two ways and reduces air pollution.

  • The turbulence of the gas mixture is extended during the compression phase through the gas transfer duct between the cylinders.
  • The temperature at the end of the compression phase is high enough to further fuel vaporizing when the throttle is slightly open.

These two actions allow the use of direct or indirect injection, with suppression of the choke and suppression of gas mixture enrichment at low engine loads.

Consumption

Broadly speaking, fuel consumption of diesel engines and spark ignition engines is reduced by one third on motorways and cut down to half in urban traffic.

Engine switchover to different fuel types

The same type of engine may be designed for any of the following fuel types : gasoil, petrol, gas, ethyl alcohol, etc. Engine manufacturers may accordingly plan all attachment mounts and their exchange in function of the type of fuel envisaged.

Economic gain for oil refining industries

The variable compression ratio engine is no longer associated to a specific octane or cetane number, as is the case of a conventional engine. A program specific to the octane or cetane number directly adapts the engine to the type of fuel used. Oil refining industries will no longer have to research the maximum octane number for producing petrol and the maximum cetane number for producing gasoil.

Road haulage tractors - Applications

The reduction of the displacement of each engine cylinder, based on the mean piston speed, enables an increase in engine loads and speeds and a consistent decrease in low frequencies. A higher gear reduction on the gearbox-output shaft assembly should however be provided up to the second engine-drive reduction. Since the mechanical friction is proportional to the displacement and less load-sensitive, the efficiency is higher. The engine brake may be kept whilst increasing the power of the engine, supported by a speed limiter on the vehicle.

Device designed to allow engine operation with two types of thermal combustions

The engine of road vehicles may be made to operate with two types of thermal combustions. Depending on the choice of the driver, the engine may operate by compression ignition or spark ignition. The corresponding attachments are mounted on the engine unit together with the cetane and octane number programs. The vehicle is equipped with two fuel tanks in order to allow the driver to switch over from one fuel type to the other.

Note : To avoid disturbing the operation of the spark ignition engine, the engine should be equipped with a type of hot plugs with creep electrodes to ensure self-cleaning of the insulating tip. In the case of a diesel engine, the plugs should continue to operate along with the engine cycles, in order to avoid coking.

Characteristic between the engine torques of the two crankshafts

Each of the two crankshafts may be considered as a separate engine. The instantaneous torques of the two crankshafts are superposed at low loads and split when the load increases. The cyclic regularity accordingly increases on the transmission along with the motive force.


Avec le moteur Van Avermaete s'ouvre une ère nouvelle pour les moteurs à combustion interne à quatre temps en réadaptant une nouvelle alliance entre la turbosuralimentation et le moteur à piston. Le moteur ne souffre plus de limitations aux basses pressions comme le moteur conventionnel (moteur à rapport volumétrique fixe) puisqu'il peut atteindre 3 à 4 bars pour les moteurs de véhicules routiers et 6 à 7 bars pour les moteurs de 40.000 chevaux. Le concept de ce moteur repose sur la variabilité de la chambre de combustion en fonction de la densité et de la température de l'air d'admission, de la vitesse de rotation et de la température du moteur. A cet effet, le moteur est équipé d'une suralimentation à simple ou double étage avec interrefroidissement permettant une hypersuralimentation des cylindres avec une fin de compression sensiblement constante indépendamment du régime moteur.

Caractéristiques techniques

Le moteur est pourvu d'une chambre de combustion par groupes de deux cylindres et de deux vilebrequins situés en position parallèle. Les deux vilebrequins sont synchronisés à même vitesse de rotation au moyen d'une transmission à calage variable. Le calage angulaire entre les deux vilebrequins est modifié en fonction de la charge du moteur par un vérin hydraulique agissant sur la transmission à calage variable. Ce vérin hydraulique est commandé électroniquement en fonction des mesures relevées en micro seconde par les quatre capteurs.

Exemples d'applications pour le moteur Diesel hypersuralimenté

Le moteur Diesel hypersuralimenté de 1 litre de cylindrée, disposé en 4 groupes de deux cylindres, peut dégager une puissance de 150 chevaux (110 kW) à 6000 tours/minute avec une pression de suralimentation de 3 bars.

Le moteur diesel hypersuralimenté de 9 litres de cylindrée, en huit groupes de deux cylindres, pour la traction routière des poids lourds, peut dégager une puissance de 845 chevaux (625 kW) à 2800 tours/ minute avec plus de 4 bars de pression de suralimentation.

Les moteurs Diesel hypersuralimentés de grandes puissances pour la traction ferrovière, la propulsion marine ainsi que pour la production d'énergie industrielle peuvent être alimentés avec des pressions de suralimentation de 4 à 7 bars suivant que la puissance de ces moteurs se situent entre 10000 chevaux (7353 kW) et 45000 (33075 kW).

Le moteur Diesel hypersuralimenté ouvre également de nouvelles perspectives dans le domaine de l'aviation de tourisme.

Exemples d'applications pour le moteur hypersuralimenté à allumage commandé et son système de contrôle associé

Les nouvelles applications du moteur hypersuralimenté à allumage commandé peuvent se réaliser avec des cylindrées : de 1 demi-litre en 2 groupes de deux cylindres, de 1 litre en 4 groupes de deux cylindres et de 1,5 litres en six groupes de deux cylindres pour 3 bars de pression de suralimentation. Ces trois types de moteurs peuvent atteindre une puissance respective de 75, 150 et 225 chevaux à 5000 tours /minute.

Pour ce qui concerne le régime d'aspiration atmosphérique, le moteur est conditionné avec une augmentation du rapport volumétrique dont la valeur est liée à l'importance de la dépression des gaz dans la pipe d'admission (entrebâillement du volet d'admission). A l'inverse, pour le régime de la suralimentation, le moteur est conditionné avec une diminution du rapport volumétrique dont la valeur est liée à l'importance de la pression de suralimentation. Le programme validant le fonctionnement du moteur implique l'association de l'indice d'octane du carburant. Le programme de cette association est réalisé au banc d'essais par l'enregistrement d'une ligne de conduite des pressions et températures des gaz en phase fin de compression, de façon à désigner une température de combustion sensiblement constante se situant en-dessous de la température critique de la détonation à laquelle se réfère l'indice d'octane du carburant utilisé. Le constructeur peut également valider le fonctionnement du moteur avec plusieurs programmes permettant aux utilisateurs de permuter le programme à celui du carburant disponible sur le marché.

Augmentation de la puissance spécifique

La puissance spécifique du moteur hypersuralimenté sera triplée par rapport aux moteurs conventionnels de même cylindrée, il s'ensuivra un doublement de la puissance massique.

Diminution des émissions de pollution du moteur Diesel hypersuralimenté

La diminution des émissions de pollution du moteur Diesel hypersuralimenté est favorisée :

  • Par une meilleure combustion des gaz due aux fortes turbulences de l'air entre les deux cylindres lors de l'injection du diesel.
  • Par une optimisation de la loi d'évolution des températures des gaz de combustion plus favorables à la diminution des émissions en hydrocarbure (HD), en monoxyde de carbone (CO), et en oxydes d'azote (NOx).
  • Par le démarrage à froid qui ne nécessite pas de préchauffage, sauf pour les climats polaires.

Diminution des émissions de pollution du moteur à allumage commandé hypersuralimenté

La diminution des émissions de pollution du moteur à allumage commandé hypersuralimenté est favorisée par une meilleure homogénéisation du mélange qui relève des actions suivantes :

  • Une prolongation de la turbulence du mélange gazeux pendant la phase de compression par le chemin de transfert des gaz entre les cylindres.
  • Une température de fin de compression suffisament élévée favorisant la vaporisation du carburant lors de la fermeture partielle du papillon des gaz.

Ces deux actions précédentes autorisent l'instauration de l'injection directe ou indirecte du carburant avec suppression du starter et suppression de l'enrichissement du mélange à faible charge.

Consommations

De façon générale, on peut considérer que les consommations de carburants des moteurs Diesel et à allumage commandé seront diminuées d'un tiers sur les grands axes et de moitié dans les agglomérations.

Permutation des moteurs aux différents carburants

Le même type de moteur peut être destiné à l'un ou l'autre des carburants suivants : le gasoil, l'essence, le gaz, l'éthanol etc... A cet effet, le constructeur peut prévoir les fixations des accessoires relatifs à l'ensemble de ces carburants sur le bloc moteur en fonction de la destination du moteur à l'un ou l'autre de ces carburants.

Gain économique pour la fabrication des carburants

Le moteur à rapport volumétrique variable n'est plus tributaire à un indice de cétane ni à un indice d'octane comme le moteur conventionnel. Un programme spécifique à l' indice d'octane ou à l'indice de cétane adapte le moteur au carburant. Les sociétés de raffinage du pétrole ne seront plus astreintes à la recherche du maximun de l'indice d'octane et de cétane pour la fabrication des carburants car les effets sur le nouveau moteur n'ont plus la même répercussion.

Les applications sur les moteurs de tracteurs routiers

La réduction de la cylindrée de chaque cylindre du moteur, suivant le critère de la vitesse moyenne des pistons, permet une augmentation du régime moteur et une diminution cohérente des basses fréquences. On peut prévoir une plus grande démultiplication sur l'ensemble boîte de vitesse-arbre de transmission jusqu'à la deuxième réduction du pont moteur. Comme le frottement mécanique est proportionnel à la cylindrée et peu sensible à la charge, le rendement s'en trouve amélioré. Le frein moteur peut être maintenu en envisageant une augmentation de la puissance du moteur à l'appui d'un limiteur de vitesse sur le véhicule.

Dispositif destiné à rendre le moteur accessible à deux types de combustion thermique

Le moteur peut être rendu accessible à deux types de combustion thermique sur les véhicules automobiles. Suivant le choix du conducteur, le moteur peut fonctionner par allumage par compression ou par allumage commandé. Les accessoires correspondants sont montés sur le bloc moteur ainsi que les programmes relatifs à l'indice de cétane et à l'indice d'octane, le véhicule étant doté de deux réservoir de façon à pouvoir alimenter le moteur avec l'un ou l'autre de ces carburants.
Remarque : Pour ne pas perturber le fonctionnement du moteur en version à allumage commandé, le moteur doit être pourvu d'un type de bougie chaude à électrode rampante permettant l'autonettoyage du bec isolant. Pour le moteur fonctionnant en version Diesel, les bougies doivent continuer à fonctionner avec les cycles du moteur pour éviter le dépôt de l'encrassement.

Caractéristique entre les couples moteurs des deux vilebrequins

Les deux vilbrequins peuvent être considérés chacun comme un arbre moteur à part entière. Les couples instantanés des deux vilbrequins s'additionnent. Le couple résultant est modifié par le calage relatif des deux vilbrequins en améliorant la régularité des valeurs.
Le calage relatif est modifié en fonction du taux de suralimentation ou / et de toutes autres grandeurs intervenant sur les performances du moteur.