Brevet FR2496174A1 — publié le 19820618

La présente invention se rapporte d'une façon géné- rale à un dispositif destiné à mesurer en continu les condi- tions de fonctionnement d'un moteur diesel à turbo-compres- seur en fonction de la vitesse de rotation (régime) et de la charge. L'invention se rapporte particulièrement à un dispositif de ce type combiné a un régulateur d'injection destiné à 9tre relié à la pompe d'injection de combustible du moteur et au moyen duquel il est possible de faire varier le calage de l'injection en fonction de la charge et de la vitesse du moteur. Le point d'injection qui donne au moteur diesel son meilleur rendement varie avec le régime et la charge du mo- teur. Le point d'injection aux divers régimes et aux diver- ses charges détermine également les pourcentages d'émissions toxiques dans les gaz d'échappement. Un procédé habituel de réduction du pourcentage des oxydes d'azote, par exemple, contenus dans les gaz d'échappement du moteur consiste à re- tarder le point d'injection. Toutefois, ce retard entraîne un accroissement du pourcentage des hydrocarbures imbrûlés et de la quantité de fumées, en même temps qu'il a un effet négatif sur le rendement du moteur. Les plus grandes quantités d'oxydes d'azote se for- ment sous une forte charge du moteur et à un régime relati- vement bas, c'est-à-dire à une haute température de la cham- bre de combustion et avec une longue durée de séjour dans cette chambre à cette haute température tandis que les pour- centages d'hydrocarbures imbrûlés sont plus grands aux ré- gimes élevés et sous faibles charges, en raison d'une com- bustion incomplète, c'est-à-dire en raison de la faible du- rée du temps disponible pour la combustion et également de la faible vitesse de combustion qui est dẻ à la basse tem- pérature. En retardant le point d'injection lorsque la for- mation d'oxydes d'azote est la plus intense et en avançant le point d'injection lorsque la formation d'hydrocarbures imbr1lés domine, il est possible de réduire les pourcenta- ges d'émissions toxiques contenues dans les gaz dtéchappe- ment des moteurs. Pour obtenir ce résultat, on doit mesurer le régime du moteur et sa charge et utiliser ces paramètres pour commander un régulateur d'injection. Le procédé le plus commun utilisé actuellement con- siste à faire dépendre uniquement le point d'injection du régime du moteur, en utilisant un régulateur centrifuge. Tou- tefois, on utilisait jusqu'à présent pour la mesure de la charge divers paramètres représentatifs de la quantité de combustible, par exemple, le réglage du régulateur de con- bustible. Dans une conception connue pour obtenir le réglage du posnt d'injectioni en fonction de la charge, on utilise un organe de la pompe comportant une nervure supérieure héli- coldale pour retarder ou avancer le point d'injection sur cet organe de la pompe, que lton fait tourner pour faire varier la quantité de combustible. L'inconvénient de ce procédé consiste dans la faible marge libre pour faire varier le point d'injection, qui est déterminée par la dimension nor- male de l'organe de la pompe et par les possibilités de fa- brication et de réglage. Le plus grave inconvénient qu'il y a A utiliser la quantité de combustible comme paramètre re- présentatif de la charge du moteur consiste en ce qu'il est très difficile de produire un signal utilisable sans ampli- fication compliquée, par exemple par voie électronique. Le but de l'invention est d'une façon générale de réaliser m dispositif simple et fiable au moyen duquel il soit possible de mesurer continuellement la charge du moteur sans utiliser la quantité de combustible comme paramètre. Un but particulier de l'invention est de réaliser un dispo- sitif de ce type qui soit intégré dans un régulateur d'in- jection servant à faire varier le point d'injection en fonc- tion à la fois de la charge et du régime du moteur. Le but général de l'invention est atteint au moyen d'un dispositif qui comprend des premiers moyens destinés à produire un signal qui est au moins approximativement pro- portionnel au carré de la vitesse de rotation (du régime) du moteur, des deuxièmes moyens destinés à produire un signal proportionnel à la pression de suralimentation du moteur et des troisièmes moyens destinés à comparer ces signaux et à produire un signal de sortie représentant la charge du moteur. L'invention est basée sur le fait que la pression de suralimentation d'un moteur diesel à turbo-compresseur à pression moyenne constante dans la plage de fonctionnement du moteur croit à peu près proportionnellement au carré de la vitesse du moteur. En permettant à la pression de sura- limentation de produire un signal et en comparant ce signal à un signal produit par un dispositif centrifuge, commandé par exemple par le régime du moteur (c'est-à-dire en général un dispositif qui produit un signal proportionnel au carré du régime), il est possible de déterminer la pression moyen- ne du moteur, c'est-à-dire la charge. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d&exemple: - la Fig..l est une coupe longitudinale d'un ré- gulateur d'injection représenté schématiquement, qui montre une application préférée du dispositif suivant l'invention; - la Fig. 2 est une coupe longitudinale d'un régu- lateur d'injection correspondant, suivant une forme de réa- lisation pratique; - la Fig. 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la Fig. 2; - la Fig. 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la Fig. 2; - la Fig. 5 est une coupe suivant la ligne V-V de la Fig. 2; - les Fig. 6 à 10 sont des diagrammes qui montrent les divisions possibles de la plage de fonctionnement du mo- teur pour le décalage du point d'injection. Le régulateur d'injection représenté sur la Fig.l comprend un corps 1 dans lequel tourillonnent un arbre d'en- trée 2 et un arbre de sortie 3. L'arbre d'entrée 2 porte un engrenage 4 qui est adapté pour être entra né par le vile- brequin d'un moteur diesel à turbo-compresseur tandis que l'arbre de sortie 3 est adapté pour être relié à la pompe d'injection de combustible du moteur pour entra ner cette pompe. L'arbre d'entrée 2 est rigidement solidaire d'un man- chon 5 et l'arbre de sortie 3 est rigidement solidaire d'un manchon 6. Les manchons 5 et 6 comportent des cannelures hé- licoldales intérieures, formées dans des directions opposées, de sorte que le déplacement axial d'un organe 7 de transmis- sion de puissance qui attaque les cannelures des manchons se traduit par un réglage des positions angulaires relatives des arbres 2, 3-qui, à son tour, conduit à une modification du point d'injection. L'organe 7 de transmission de puissance est réali- se en une seule pièce avec un plongeur 8 qui est tenu dans une partie cylindrique 9 et est en contact avec la paroi de la partie cylindrique 9 par l'intermédiaire d'une garniture d'étanchéité 10. De part et d'autre du plongeur 8, les man- chons 5 et 6 délimitent des chambres de cylindres Il et 12 qui peuvent être alimentées en fluide sous pression par l'in- termédiaire de passages d'entrée 13, 14 et sont mises à la vidange par l'intermédiaire de passages de sortie 16, 15 mé- nagés dans le corps 1. La chambre 11 communique avec les passages 13, 15 par des trous 17 du manchon 5 tandis que la chambre 12 communique avec les passages 14, 16 à travers l'intervalle 18 formé entre les manchons 5, 6. S'il y a des pressions égales dans les chambres 11, 12 des cylindres, les ressorts lla, 12a maintiennent l'organe 7 dans la position centrale représentée sur la Fig. 1 et, lorsque les pressions sont différentes, l'organe 7 est déplacé vers l'un ou l'au- tre des c8tés de la position centrale. La régulation de la pression dans les deux chambres de cylindres 11, 12 est assurée au moyen de deux dispositifs obturateurs 20, 21, situés sur le côté de sortie des cham- bres de cylindres. Le dispositif de gauche 20 comprend un tiroir 22 qui, dans la position représentée, permet la vi- dange de la chambre 11 à travers la sortie 15. Le dispositif de droite 21 comprend un tiroir 23 qui, dans la position re- présentée, permet de la même façon la vidange de la chambre 12 à travers la sortie 16. Les tiroirs 22, 23 sont disposés dans un alésage commun 24 du corps 1. Dans l'espace 25 de l'alésage 24 entre les extrémités intérieures des tiroirs qui se font face débouche un passage 26 à travers lequel un fluide sous pression peut être distribué par un robinet (non représenté) relié à une source de pression et commandé par un dispositif centrifuge entralné par le moteur de sorte que, en fonctionnement, on obtient dans l'espace 25 de l'alésage une pression proportionnelle au carré de la vitesse du mo- teur. Entre l'extrémité extérieure du tiroir 22 et la paroi terminale de l'alésage 24 est interposé un ressort hélicol- dal 27 qui est représenté sur le dessin dans son état déten- du, non chargé. L'extrémité extérieure du tiroir 23 est en- gagée dans une chambre d'air 28 et est fixée à une membrane 29 montée dans cette chambre 28. La chambre 28 présente un orifice 28a qui est adapté pour être relié au c8té pression d'un turbo-compresseur, de sorte que la membrane 29, et, en conséquence, le tiroir 23, sont chargés pendant le fonction- nement par une force qui dépend de la pression de suralimen- tation. Dans la position représentée au dessin, la membrane n'est pas chargée. Le tiroir 22 est ainsi chargé d'un côté par la pression d'huile et, de l'autre c8té par le ressort 27. A une certaine pression d'huile, qui correspond à un régime prédéterminé du moteur et qui est déterminée par le choix du ressort, les forces exercées sur le tiroir 22 sont en é- quilibre et la sortie 15 est maintenue ouverte. A un régime supérieur à celui-ci, la force de la pression d'huile pré- domine et le tiroir 22 est repoussé vers la gauche sur la Fig. 1, en fermant ainsi la sortie 15 de la chambre 11, ce qui se traduit par un accroissement de la pression dans cet- te chambre 11. Si le tiroir 23 reste dans la position d'ou- verture repr6sentée sur la Fig. 1, un accroissement de la pression dans la chambre 11 force l'organe 7 à se déplacer de sa position centrale A à une position B situ6e A la droi- te de la position centrale A, ce qui se traduit par un réa- justement de la position angulaire relative des arbres d'en- trée et de sortie 2, 3, en avançant le point d'injection à partir de la position A. La charge du moteur qui se traduit par un équili- bre entre les forces qai agissent sur le tiroir 23 est dé- terminée par le rapport entre la section du tiroir sur la- quelle agit la pression dthuile et l'aire effective de la membrane sur laquelle agit la pression de suralimentation. Pour les charges du moteur supérieures à la valeur choisie pour l'équilibre la force de la pression de suralimentation est plus grande que la force de la pression d'huiles repous- sant ainsi le tiroir du distributeur vers la gauche sur la Fig. 1 et, en fermant la sortie 16 de la chambre de cylin- dre 12. Ceci déplace l'organe 7 vers la gauche, vers une po- sition C, pourvu que le tiroir 22 reste ouvert. Le réajuste- ment de la position angulaire relative des arbres 2, 3, qui accompagne ce mouvement détermine un retard du point d'in- jection par rapport au point obtenu dans la position A. Avec la forme de réalisation décrite, le diagramme de fonctionnement du moteur est divisé en quatre régionss comme représenté sur la Figo.6, sur laquelle les régions re- présentant les positions As B et C peuvent être choisies à volonté pourvu que A corresponde à une position comprise en- tre B et C. On trouve sur les diagrammes des Fig.7 à 10, des exemples d'autres divisions pour le décalage du point d'in- jection dans la plage de fonctionnement du moteur, qu'il est possible d'obtenir avec le principe de base de commande dé- crit. Sur les Fig. 2 à 5, dans lesquelles on a utilisé les mêmes références que sur la Fig.l pour désigner les élé- ments correspondants, le régulateur d'injection suivant lPin- vention est représenté dans une forme de réalisation prati- que, qui diffère principalement de celle décrite plus haut par le fait que le corps contient en outre un dispositif à soupape 31 commandé par un régulateur centrifuge 30, ce dis- positif commandant la pression d'huile qui charge un c8té des tiroirs 22, 23, qui sont ici également montés dans des alé- sages individuels qui communiquent entre eux par un passage 32, par le robinet. Le régulateur centrifuge comprend un arbre 34 mon- té rotatif et comportant un engrenage 33. Un engrenage menant hélicoïdal 35 porté par l'arbre de sortie 3 attaque l'engre- nage 33 pour entraîner l'arbre 34. A son extrémité supérieu- re, l'arbre 34 est relié à un élément 36 qui présente un cer- tain nombre de dépressions 37 en forme de billes qui sont destinées à recevoir des billes 38. Un élément correspondant , présentant des dépressions 39, est monté mobile sur l'ar- bre 34, au-dessus d'une collerette 41 portée par cet arbre. L'élément 40 comporte un prolongement cylindrique 42 qui for- me l'obturateur de la soupape 31, pour régler l'évacuation du fluide contenu dans une chambre 43 située au-dessous et qui communique avec le passage 32. Le régulateur d'injection des Fig. 2 à 5 et celui de la Fig. 1 sont supposés être couplés au circuit de lubri- fication normale de moteur et sont alimentés en huile par la pompe à huile du moteur. La chambre 43 est alimentée en huile d'une façon non représentée en détail dans le présent mémoi- re, à travers un orifice calibré, et la pression d'huile ré- gnant dans la chambre 43 agit ainsi sur l'élément 40 avec une force dirigée vers le haut tandis que la force centrifu- ge qui s'exerce sur les billes lorsque l'arbre tourne imprime a l'élément 40 une force dirigée vers le bas en raison de la forme des dépressions 37, 39. A bas régime, la force de la pression de l'huile prédomine et fait monter l'élément 40 de sorte que la chambre 43 est évacuée par l'huile qui fuit entre son bord et l'obturateur 42. A haut régime, la force centrifuge prédomine et l'élément 40 est repoussé vers le bas par les billes 38, dans la position représentée sur la Fig.3. On obtient donc une pression d'huile proportionnelle au car- ré de la vitesse du moteur dans le passage 32 qui mène aux alésages des tiroirs 22, 23. Dans le régulateur de point d'injection des Fig.2 à 5 l'organe 7 est monté mobile sur un arbre 50 qui s'étend entre les arbres d'entrée et de sortie 2, 3 et qui peut tour- ner par rapport à ces arbres. Dans un alésage central 51 de l'organe 7, deux ressorts 53 sont montés entre deux bagues d'extrémités 54, ces ressorts assurant que l'organe 7 soit maintenu dans la position centrale lorsque les pressions sont égales dans les chambres des cylindres. Le principe de fonctionnement de l'invention a été décrit plus haut à propos d'une forme de réalisation hydrau- lique mais il est également possible d'adopter d'autres for- mes de réalisation. Par exemple, il est possible de permet- tre à un dispositif de créer une tension électrique qui est proportionnelle ou à peu près proportionnelle au carré de la vitesse du moteur et de comparer cette tension, premièrement à une tension produite par un capteur qui produit une tension proportionnelle à la pression de suralimentation du moteur pour obtenir un signal de charge et, deuxièmement, avec une tension constante donnée qui constitue un signal représenta- tif du régime. De m9me que dans le principe de la forme de réalisation décrite plus haut, le résultat de cette comparai- - son est utilisé pour produire un signal de sortie dévelop- pant un actionnement directionnel. g R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Dispositif pour mesurer en continu les condi- tions de fonctionnement d'un moteur diesel à turbo-compres- seur en ce qui concerne la vitesse de rotation et la charge, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens (30,31) destinés à produire un signal qui est au moins approximati- vement proportionnel au carré du régime du moteur, des deu- xièmes moyens (29) destinés à produire un signal proportion- nel à la pression de suralimentation du moteur et des troi- sièmes moyens (21) destinés à comparer ces signaux et à pro- duire un signal de sortie représentant la charge du moteur. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits premiers moyens (30, 31) sont agen- cés pour produire une force proportionnelle au carré de la vitesse de rotation du moteur, les deuxièmes moyens (29) é- tant agencés pour produire une force proportionnelle à la pression de suralimentation du moteur et lesdits troisièmes moyens (21)étant agencés pour comparer ces forces. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, carac- térisé en ce que lesdits premiers moyens comprennent un dis- positif centrifuge (30)entratné par le moteur, lesdits deu- xièmes moyens comprennent un élément (29) sollicité par la pression de suralimentation, et les troisièmes moyens sont formés d'un premier dispositif obturateur hydraulique (21) ayant un tiroir (23) sollicité d'un c8té par une force com- mandée par le dispositif centrifuge et, de l'autre côté par la force exercée par l'élément (29) sollicitée par la pres- sion de suralimentation. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que le premier dispositif obturateur hydrauli- que (21) est coordonné avec un dispositif de réglage de l'in- jection qui comporte un arbre d'entrée (2) adapté pour être relié pour l'entrafnement à une prise de force du moteur, un arbre de sortie (3) adapté pour être relié à la pompe d'in- jection du moteur et un organe (7) de transmission de puis- sance disposé entre lesdits arbres et qui peut 9tre réglé hy- drauliquement pour faire varier la position angulaire rela- tive des arbres l'un par rapport à l'autre et ainsi Vins- tant d'injection du moteur, et en ce que le premier disposi- tif obturateur hydraulique est agencé pour régler la posi- tion angulaire relative des arbres en fonction de la charge du moteur un deuxième dispositif obturateur hydraulique (20) étant agencé pour régler la position angulaire relative des arbres en fonction du régime du moteur. - Dispositif suivant la revendication 5, carac- térisé en ce que ledit organe de transmission de puissance est constitué par un plongeur (7, 8) pouvant coulisser axia- lement, qui est monté entre les extrémités des arbres (2, 3) ledit plongeur attaquant les arbres respectifs au moyen de cannelures hélicoïdales, en ce que le déplacement du plon- geur se traduit par un décalage de la position angulaire re- Jative des arbres, le premier dispositif obturateur hydrau- lique (21) commandant la pression hydraulique régnant d'un c8té (12) du plongeur et le deuxième dispositif obturateur hydraulique (20) commandant la pression hydraulique sur le côt6 oppose (11) du plongeur de manière qu'à partir d'une position centrale (A) du plongeur, qui représente une cer- taine vitesse et une certaine charge du moteur, un accrois- sement de charge a vitesse constante du moteur se traduit par un accroissement de la pression sur le premier côté du plongeur, accroissement qui se traduit par un déplacement vers une position ayant pour effet de retarder le point d'in- jection tandis qu'un accroissement de la vitesse du moteur a charge constante se traduit par un accroissement de la pression régnant sur le c8té opposé du plongeur, ce qui pro- duit un déplacement vers une position ayant pour effet d'a- vancer le point d'injection. 6 - Dispositif suivant la revendication 5, carac- térisé en ce que le premier et le deuxième dispositifs ob- turateurs hydrauliques (21, 22) sont des dispositifs à ti- roir et en ce que le dispositif centrifuge (30) est coordon- né a un dispositif obturateur (31) qui règle la pression hy- draulique régnant sur un côté des tiroirs (23, 22) des dis- positifs obturateurs hydrauliques (21, 22) en fonction de la vitesse du moteur, le tiroir (23) du premier dispositif obturateur étant relié à son extrémité opposée, à une mem- brane (29) sollicitée par la pression de suralimentation tandis que le tiroir (22) de l'autre dispositif obturateur est sollicité sur son deuxième côté par un ressort (27).