Brevet FR2481750A1 — publié le 19811106

La présente invention concerne les dispositifs d'alimentation en gaz des moteurs à combustion interne et, plus particulièrement, l'alimentation en gaz de pétrole liquéfiés de moteurs de véhicules. Depuis les travaux de Lebon, et ceux, ultérieurs de Lenoir, de nombreux dispositifs d'alimentation en gaz des moteurs thermiques ont été proposés avec des succès relatifs, plus particulièrement en ce qui concerne l'ali- mentation de moteurs de véhicules. La plupart des dispositifs existants sont constitués d'un ensemble vaporisateurdétendeur à deux ou trois étages assurant progressivement la détente du gaz d'alimentation comprimé et sa distribution à un carburateur ou un injecteur simple ou mixte pour l'usage conjoint avec de l'essence.Ces détentes successives ont pour but de fournir au carburateur-mélangeur du gaz combustible à pression constante aussi voisine que possible de la pression atmosphérique pour réaliser un mélange uniforme avec l'air comburant admis dans le moteur et dont les caractéristiques, notamment de pression et de débit massique, dépendent très fortement des conditions de régime de fonctionnement du moteur. De ce fait, la détermination et l'obtention des rapports des débits massiques gaz combustible-air comburant, c'est-à-dire la richesse du mélange explosif, présentent des difficultés en fonction des diffé rents régimes requis pour le moteur.En effet, si le réglage peut être optimisé pour une condition normale de fonctionnement, comme c'est le cas par exemple pour les installations fixes génératrices d'énergie, il n'en est pas de même avec les moteurs de véhicules, tout particulièrement en ce qui concerne les conditions de démarrage et de ralenti du moteur. Il a été proposé à cet égard, des ensembles détendeurs comportant une pluralité de moyens de réglage agissant sur les membranes des différents étages pour correspondre sensiblement aux conditions habituelles de ralenti, de fonctionnement sur route et de fonctionnement sur autoroute. Ces dispositifs demeurent délicats à mettre en oeuvre et posent de nombreux problèmes de dérive des réglages et pour le démarrage du moteur. I1 a également été proposé des ensembles détendeurs fournissant le gaz à une pression voisine de la pression atmosphérique, avec interposition entre le dernier étage détendeur et le circuit d'admission d'air du moteur d'une bâche importante formant tampon. Outre les inconvénients de logeabilité de ces derniers ensemblés, ils ne permettent pas d'obtenir non plus de façon satisfaisante une parfaite stabilité de l'alimentation en gaz en fonction des conditions d'utilisation du moteur, notamment au démarrage et aux reprises. La présente invention a précisément pour objet de proposer un système d'alimentation en gaz de moteur thermique d'une grande simplicité, permettant des réglages précis et fiables des différents étages pour correspondre aux dif férentes conditions d'utilisation et caractéristiques propres du moteur mais en autorisant cependant,en fonctionnement, des plages de variation importantes autour des conditions de réglage initiales, et garantissant un démarrage sur et rapide du moteur, même à la main. La présente invention a pour autre objet de proposer un tel dispositif d'alimentation qui soit remarquablement insensible aux conditions annexes d'utilisation du moteur, notamment les conditions d'accélération ou de freina ge d'un véhicule équipé de ce moteur. Pour ce faire, selon une caractéristique de la présente invention, le dispositif d'alimentation en gaz,de pétrole liquéfiés,du type comprenant trois étages de déten te interposés entre un réservoir de gaz et le moteur, l'éta- ge final ayant sa sortie débouchant au voisinage du carbu rateur du moteur, est caractérise en ce que l'étage final adjacent au moteur comprend de preference, au moins quatre détendeurs a membranes non chargées, disposés en parallèle et agencés suivant les faces d'un polyèdre régulier. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le dispositif comprend un pré-étage final, en amont dudit étage final, comportant le même nombre de dé- tendeurs à membrane que l'étage final, chacun en série avec un détendeur de cet étage final et répartis suivant les fa ces d'un polyèdre régulier semblable. D'autres caractéristiques et avantages de la pré sente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'alimentation en gaz selon la présente in vention; et La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation de la paire de pré-étage/étage final du dispo sitif de la figure 1. Comme précédemment mentionné, pour atteindre des conditions de fonctionnement optimales du moteur, il est hautement souhaitable de fournir à ce dernier le gaz vapo risé et détendu à une pression très voisine, par valeur supérieure, de la pression atmosphérique. A cet effet, le dernier étage de la ligne de détente comporte au moins un détendeur à membrane non chargée, pour asservir celle-ci aux conditions atmosphériques ambiantes. I1 s'en suit deux types de problèmes tenant, l'un, aux variations importan tes des conditions de pression, c'est-à-dire en l'occurren ce de la dépression, dans le système d'alimentation en air comburant du moteur en fonction des régimes de fonctionnement de ce dernier, l'autre, à la sensibilité inertielle des membranes desdits détendeurs. Le demandeur a constaté que ces deux problèmes pouvaient être résolus en multipliant le nombre de détendeurs en parallèle dans l'étage final pour précisément tirer parti des variations de la dépression dans la tubulure d'alimentation du moteur, et en répartissant ces détendeurs suivant une configuration particulière leur conférant une caractéristique moyenne neutre vis-à-vis de leur inertie propre, ainsi qu'il sera analysé ci-dessous. On a représenté sur la figure 1, un mode de réalisation préférentiel de la ligne d'alimentation selon la présente invention pour un véhicule routier. De l'amont vers l'aval, ce dispositif comprend une bonbonne 100 de gaz de pétrole liquéfiés,notamment de propane C3H8, de butane C4Hlo ou d'un mélange de ces deux composés, équipée d'un robinet de sécurité 1 et dlun raccord à débranchement rapide à l'extrémité amont de la ligne d'alimentation.Celle-ci comprend une électro-vanne de commande d'ouverture ou de fermeture 2, un petit manchon chauffant 3, relié au système électrique du moteur ou à son système de refroidissement, et débouche dans un premier étage I constitué d'un détendeur de conception traditionnelle de type à contrôle de l'amont par l'aval pour fournir une pression détendue constante et comprenant une membrane 4, sollicitée de la façon réglable par un ressort 6 et actionnant un levier coudé 5 contrôlant l'ouverture de. la buse d'entrée dans le détendeur. La sortie ss de l'étage 1 est reliée à un premier détendeur intermédiaire II de conceptionanalogue à celui de l'étage I et susceptible d'être réglé par un ressort taré figuré en 60. La sortie y de l'étage II fait communiquer celui-ci avec un second étage intermédiaire III constitué, lui, de deux détendeurs 30a et 30b montés en parallèle et en opposition, avec leurs membranes couplées par un ressort 7 dont le tarage peut être réglé comme figuré en 8.Les sorties des détendeurs 30a et 30b sont réunies dans une ligne L aboutissant au voisinage du moteur M, dans un ensemble ap pairé R d'un pré-étage final IV et d'un étage final V dont la sortie S débouche en J dans la tubulure d'admission d'air T du moteur, juste avant le papillon du carburateur C, en aval du filtre à air F, dont l'entrée peut être modulée pour régler le débit massique d'air par un pointeau 40. On s'attachera dans un premier temps à la ligne d'alimentation réduite aux étages principaux I, III et IV + V pour expliciter le fonctionnement du dispositif selon l'invention. Comme précédemment évoqué, le problème majeur rencontré dans un dispositif d'alimentation en gaz de moteur thermique réside dans l'obtention de facultés de démarrage rapide et de maintien du ralenti du moteur. Dans ces conditions, en effet, la dépression dans la tubulure T est très faible et, qui plus est, sujette à des phénomènes de battements induits par les cycles du moteur thermique. Conformément à la présente invention, le premier étage I est très largement dimensionné, non seulement en ce qui concerne la section de sa tubulure d'entrée a mais également la surface de la membrane 4 et/ou le bras de levier du levier 5 pour réaliser une détente franche et une vaporisation du gaz provenant du réservoir 100 et l'amener, dans la tubulure de sortie ss à une surpression très faible, inférieure à 1,2 bars.L'étage III complete cette détente de sorte que les étages finaux IV et V n'assurent en fait qu'une régulation de la pression délivrée à la tubulure T, sans véritablement réaliser de détente complémentaire.Ces étages finaux, déterminant pour les conditions de démarrage et de ralenti du moteur, fonctionnent à surpression quasi-nulle et sont donc extrêmement sensibles aux variations de la dépression de la tubulure T, laquelle est ainsi autorisée à "remonter" la ligne d'alimentation en gaz plus ou moins loin vers l'amont en fonction de l'importance de cette dépression, puisque, au moins à partir de l'étage III, la surpression du gaz d'amenée est infime. Au démarrage ou au ralenti les étages finaux IV et V fonctionnent de fait en régime transitoire alternatif avec battement en synchronisme des membranes en fonction des variations de la dépression dans la tubulure T.Du fait que, au ralenti et surtout au démarrage, la dépression dans cette tubulure T est minime, conformément à la présente invention, l'étage final V, comprend plusieurs, en l'occurrence au moins quatre détendeurs identiques B1.. B. de façon à multiplier ainsi la section de passage pour le gaz, la section S de la ligne de sortie étant au moins supérieure à la somme des sections des buses de sortie individuelles sl...si des différents détendeurs Bi. En considérant les étages principaux I, III et V, réglés de la façon précédemment décrite, on obtient donc un agencement réalisant de façon combinée, d'une part, la limitation, dans le sens amont-aval, des coups de boutoir de la pression du gaz d'alimentation en fonction des séquences d'ouverture ou de fermeture du détendeur de l'étage I et, dans une moindre mesure, des détendeurs parallèles de l'étaye III, et d'autre part, dans le sens aval-amont, la limitation,c'est-à-dire de fait la temporisation, de la remontée de la dépression provenant de la.tubulure T, en fonction des variations de cette dépression tenant notamment à l'augmentation du régime moteur. Les membranes des détendeurs Bl...Bi étant libres, elles sont particulièrement sujettes, du point de vue inertiel, aux conditions environnantes, notamment d'accélération, de virage ou de freinage, du véhicule équipé du moteur M. La multiplication des détendeurs de l'étage final permet déjà, dans une certaine mesure, de s'affranchir de ces problèmes, mais, conformément à la présente invention, les détendeurs B. sont agencés dans l'espace suivant les faces d'un polyèdre régulier. Dans l'exemple représenté, avec quatre détendeurs B i, ceux-ci seront disposés en face à face sur les quatre faces latérales d'un cube.Dans l'exemple représenté sur la figure 2, où les détendeurs de chaque étage IV et V sont au nombre de six, les détendeurs B. et également les détendeurs A. du pré-étage final sont i i répartis suivant les six faces du cube, ce qui confère donc à ces étages un caractère moyen neutre en fonction des sollicitations extérieures. Indépendamment des problèmes de démarrage proprement dits, ou de tenue au ralenti du moteur, le demandeur a constaté que les problèmes de reprises du moteur, par exemple pour le passage du ralenti à une vitesse de fonctionnement nominal, pouvaient être grandement résolus en doublant l'étage final V d'un pré-étage final amont IV,comportant le même nombre de détendeurs A1 . i à membranes non chargées, répartis suivant la même configuration spatiale que ceux de l'étage final V.Le pré-étage final IV introduit en effet simultanément, un complément d'équilibrage des détendeurs de 1 t étage final et une temporisation supplémentaire entre la partie aval du dispositif et la partie amont pour ce qui est des fronts d'onde de pression du gaz d'alimentation ou de dépression en provenance de la tubulure T.Visà-vis de ce dernier phénomène, le pré-étage final IV réalise un étouffement des fronts d'onde, notamment de battement, et permet ainsi, dans un premier temps, une aide à la reprise du moteur, puis réalise dans un second temps, lorsque les phénomènes de battement font place à un régime d'écoulement sensiblement stationnaire avec un équilibre moyen statique entre la surpression amont et la dépression aval, une striction contrôlée permettant à l'étage intermédiaire précédent (III) de n'être que modérément affecté par la remontée de la dépression dans la ligne d'alimentation. Egalement pour s'affranchir des problèmes inertiels propres aux membranes des détendeurs Al... i, ceux-ci sont aussi répartis suivant les faces d'un polyèdre régulier analogue à celui des détendeurs de l'étage final V et sont avantageusement chacun couplés en opposition avec les détendeurs correspondants B. de l'étage final V pour apparier ainsi en opposition les deux détendeurs en série des étages IV et V. Dans le cas où chaque étage comprend six détendeurs, chaque paire est agencée au centre des faces d'un cube comme représenté sur la figure 2. Pour des conditions d'utilisation plus sévères du moteur ou pour des moteurs de cylindrée importante, onutilisera pour chaque étage IV ou V, six ou douze detendeurs,les différents détendeurs étant répartis suivant une configuration spatiale dodécaédrique cen trée, avec toujours deux détendeurs d'un même étage sur les faces opposees du polyèdre. Pour tenir compte, d'une part, des phénomènes transitoires survenant, en aval,jusqu'au niveau de l'étage III, et d'autre part, des variations de pression du gaz dans la bonbonne 100 notamment, s'il s'agit de butane, en fonction de la température, on prévoit avantageusement, entre le premier étage de détente principal I et le premier étage intermédiaire III, un second étage intermédiaire II, dont la membrane peut être chargée de façon réglable par un ressort tarable comme figuré en 60.Typiquement, comme pré cédemment évoqué, la tubulure d'entrée a a une section au moins double de la section normale pour un détendeur I destiné à effectuer la détente visée, les tubulures intermédiaires ss et y entre les étages I - II et II - III, ainsi que les ajutages d'entrée de ces étages II et III, étant pareillement dimensionnés.Dans l'installation complète représentée sur la figure 1, les réglages des différents étages peuvent être analysés comme suit : l'étage I réalise une détente et un pré-réglage de la richesse du mélange en fonction des caractéristiques générales du moteur correspondant sensiblement au réglage de la richesse pour la vitesse de roulage sur autoroute, une grande plage de variation autour de la valeur de réglage étant autorisée par les étages suivants de la ligne d'admission. Le réglage du deuxième étage intermédiaire II correspond en fait au réglage de la richesse normale du mélange air/gaz pour le roulage sur route, la dépression du moteur, à cette allure, attei gnant l'étage intermédiaire ultérieur III.Le réglage de ce premier étage intermédiaire III correspond au réglage de la richesse pour le ralenti ou le démarrage du moteur puisque, dans ces conditions, la faible dépression dans la tubulure T ne remonte avec battements que jusqu'au pré-étage final IV,la fonction des étages finaux IV et V étant de lisser les fluctuations de la dépression au ralenti et à la reprise et de temporiser les fronts d'ondes ascendants ou descendants tout en asservissant la pression d'alimentation du gaz aux conditions atmosphériques ambiantes. Le dispositif selon la présente invention permet ainsi d'utiliser, au prix de réglages très simples, indifféremment du gaz butane ou du gaz propane, ou encore un mélange de ces gaz comprenant 20 % de propane pour les conditions estivales ou 40 % de propane pour les conditions hivernales. Le dispositif peut également être utilisé pour alimenter le moteur en gaz de fumier surcomprimé ou en gaz naturel, un détendeur supplémentaire étant alors prévu en amont du premier étage I pour abaisser la très forte pression de ces gaz aux valeurs nominales inférieures à 10 bars correspondant au propane ou au butane.La grande souplesse du dispositif selon la présente invention permet, contrairement aux dispositifs existants, de démarrer le moteur thermique avec une manivelle ou une corde, et donc de supprimer le démarreur, ce qui peut présenter des avantages notables, notamment pour les installations fixes ou les tracteurs, lesquels peuvent en outre, se contenter du dispositif d'alimentation réduit aux étages I, III et V. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que les détendeurs de l'étage final et du pré-étage final seront de préférence agencés dans l'espace suivant les faces d'un polyèdre régulier, avantageusement un dodécaedre pentagonal, on pourrait envisager de les agencer suivant les faces d'un rhombo-dodécaèdre ou d'un rhombo-tria-contaèdre. On pourrait même envisager de n'utiliser que deux détendeurs, disposés dos-à-dos ou en vis- -vis ou trois détendeurs agencés selon une configuration cylindrique, ces solutions étant cependant nettement inférieures à la précédente. REVENDICATIONS : 1. Dispositif d'alimentation en gaz d'un moteur à combustion interne, comprenant trois étages de détente interposés entre un reservoir de gaz et le moteur, l'étage final ayant sa sortie reliée au circuit d'admission d'air du moteur, caractérisé par un étage d'entrée (1) relié au réservoir et comprenant un détendeur étagé par ressort et fournissant une pression sensiblement constante et légèrement supérieure à la pression atmosphérique, au moins un étage intermédiaire (II-III) complétant la detente, au moins deux étages de sortie (IV-V), comprenant chacun au moins un détendeur à membrane non chargée, lesdits etages de sortie n'assurant sensiblement aucune détente et fonctionnant en surpression quasi-nulle, le(s) dit(s) étage(s) de sortie fonctionnant ainsi, au démarrage et au ralenti, en régime transitoire alternatif avec battement des membranes en fonction de la dépression dans ledit circuit, dont les fluctuations se trouvent ainsi lissées, l'étage final (V) débouchant directement au voisinage du carburateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage final (V) comprend au moins deux détendeurs disposés de manière à réduire, du point de vue inertie, l'effet conjugué de la pesanteur et de la force centrifuge. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage final (V) comprend au moins quatre détendeurs (Bi) a membranes non chargées, montés en paral lèle et agencés dans l'espace suivant les faces d'un polyèdre, de préférence régulier. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un pré-étage final (IV) comportant le même nombre de détendeurs (Ai) à membranes de l'étage final (V), chacun en série avec un détendeur (B.) de l'étage final, et répartis suivant les faces d'un même polyèdre de préférence régulier. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque détendeur (Aj) du pré-étage final (IV) est apparie en opposition à un détendeur (Bi) de l'étage final (V). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier étage amont (I), côté réservoir (100), est un detendeurçrégulateur de pression a larges sections de passage et de membranes ame nant, en sortie ( ), le gaz d'alimentation à une pression inférieure à 1,2 bars. 7. Dispositif selon la revendication 6, caracterise en ce qu'il comprend, en aval du premier etage amont (I) un premier etage intermédiaire (III) constitue de deux détendeurs (30a, 30b) à membranes couples. 8. Dispositif selon la revendication 7-, caractérisé en ce qu'il comprend, en amont du premier étage intermédiaire (III) un second étage détendeur intermédiaire (Il). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'étage final (V) et le pré-étage final (IV) comprennent chacun 2xn détendeurs (Bj, Ai) à membranes non chargees, n étant supérieur ou égal à 3. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le pré-étage final (IV) et l'étage final (V) ont chacun leurs détendeurs (A , Bj), répartis suivant une configuration cubique centrée. 11. Dispositif selon la revendication 9, caracte- risé en ce que le pré-étage final (IV) et l'étage final (V) ont chacun leurs detendeurs (Ai, Bj) répartis suivant une configuration dodecaédrique centree. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étage final (V) débouche par un canal d'admission (S) dans la canalisation d'amenée d'air (T) du moteur en amont du carburateur (C), la section du canal d'admission (S) etant au moins égale à la somme des sections des buses de sortie (Si) des détendeurs (Bi), de l'étage final.