Brevet FR2525697A1 — publié le 19831028

La présente invention concerne une pompe volumétrique à deux étages pour gaz de pétrole liquéfiés ("GPL") en phase liquide. Elle concerne également un procédé d'injection de carburant pour moteur de véhicule automobile, utili- sant une telle pompe. Un des buts de l'invention est de réaliser une telle pompe de faible puissance, utilisable notamment pour l'alimentation en carburant liquide des moteurs automobiles fonctionnant au GPL, convenant par exemple pour les véhicules de tourisme ou les petits véhicules utilitaires. Pour être compatible avec une utilisation dans le domaine automobile, la pompe doit présenter des caractéristiques d'encombrement réduit, de faible coût de fabrication, et de faible consommation en puissance (notamment si elle est alimentée en énergie électrique). Les technologies actuellement employées pour les pompes à GPL de forte puissance (plusieurs m 3/heure) sont difficilement transposables pour réaliser des pompes de faible puissance (quelques litres ou dizaines de litres/ heure) Des deux types de pompes employés, centrifuge ou à engrenages, aucun ne se prête à une miniaturisation suffisante pour permettre son utilisation dans le domaine automobile: les difficultés inhérentes à l'emploi des GPL liquides (pression élevée en sortie de pompe, pouvoir anti-lubrifiant, pouvoir solvant, faible viscosité) ren- draient délicate, et donc très onéreuse, la réalisation de pompes centrifuges miniatures. Par ailleurs, les pompes à engrenages de petite taille qui existent actuellement ne résistent pas au pouvoir anti-lubrifiant des GPL, à moins d'ajuster les engrenages de façon assez lâche, ce qui conduit à un surdimensionnement et à un débit de fuite important, ou à moins d'employer des matériaux spéciaux et de réaliser un usinage très fin, ce qui mène à un coût de fabri- cation prohibitif. Une autre difficulté rencontrée dans le pompage des GPL liquides vient du fait que le liquide stocké dans le réservoir y est en équilibre avec sa propre vapeur saturante Toute baisse de pression par exemple par fuite ou par aspiration provoque l'appari- tion de bulles gazeuses au sein du liquide De ce fait, il est impossible d'utiliser, pour le pompage, des pompes volumétriques classiques à piston ou à membrane: lors de la phase d'aspiration, il se produit une vaporisation du GPL, et la phase de compression sert essentiellement à reliquéfier le volume vaporisé: le rendement est donc très faible, et surtout il va se produire une cavitation conduisant à une dégradation rapide des éléments de la pompe. Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose une nouvelle pompe du type à au moins deux étages, c'est-à-dire comportant au moins deux chambres, un clapet anti-retour d'admission du liquide à pomper, communiquant avec la première chambre, un clapet d'échappement du liquide pompé, communiquant avec la seconde chambre, et un canal de transfert mettant en communication les deux chambres, muni d'un clapet interdisant le retour du liquide de la seconde chambre vers la première. Selon l'invention, chaque chambre comprend une paroi formée d'une membrane déformable librement, dans le sens de l'augmentation du volume de la chambre, sous l'effet de la pression du liquide, et déformable de manière commandée, dans l'autre sens, sous l'action de moyens d'actionnement agissant alternativement sur les membranes de l'une et l'autre chambre. A la différence des membranes d'une pompe a membrane classiquequi sont solidaires de l'élément d'actionnement (par exemple un piston ou une tige) , les membranes de la pompe selon l'invention sont "flottantes", c'est-àdire que leur mouvement est libre -elles sont Passives-dans le sens du remplissage des chambres, et imposé dans le sens du refoulement: le remplissage se fait grâce à la seule pression de vapeur du GPL, qui pousse la membrane. L'admission se fait donc sans aspiration, et la seule baisse de pression observable provient des pertes de charge dans les conduites. La phase d'échappement est classique la membrane qui devient active, par exemple par venue en contact avec un élément moteur refoule le liquide par diminution du volume de la chambre. De préférence, les membranes présentent, en l'absence de sollicitation extérieure, une déformation permanente dont la valeur de la flèche est voisine de la valeur de la course des moyens d'actionnement. De cette manière, le caractère flottant des membranes se manifeste dès l'inversion du sens de déplacement des moyens d'actionnement, et toute déforma- tion élastique sous l'effet de ces derniers est évitée. Les moyens d'actionnement peuvent comporter un piston animé d'un mouvement alternatif sous l'action d'un excentrique, et muni de deux surfaces de pression, par exemple sphériques, disposées de part et d'autre de 1 ' excentrique. Du fait que les membranes assurent une étan- chéité totale aux deux chambres, il est également possible d'employer, en variante, des moyens hydrauliques ou pneumatiques d'actionnement: dans ce cas, un vérin émetteur extérieur à la pompe, coopérant avec un jeu de clapets, imprimerait à un liquide intermédiaire des pul- sations qui déformeraient alternativement et périodique- ment les membranes pour permettre le refoulement du liquide hors de chacune des chambres. La pompe selon l'invention peut être disposée entre le réservoir de GPL et les organes d'utilisation; elle peut également être immergée à l'intérieur du réservoir Dans ce dernier cas, l'emploi de moyens d'actionnement hydrauliques ou pneumatiques permettrait de satisfaire à toutes les exigences de sécurité. Le procédé d'injection de carburant consiste à injecter dans la chambre de combustion du moteur d'un véhicule automobile un GPL liquide dont la pression d'injection est obtenue grâce à la pompe selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe verticale d'une pompe selon l'invention, la figure 2 est une vue en plan du piston actionnant les membranes, la figure 3 est une coupe d'une des mextmbranes, en l'absence de toute sollicitation extérieure. La pompe est constituée de deux culasses 100 et 200 montées de part et d'autre d'un corps 300. Ces deux culasses définissent deux chambres 110 et 210 correspondant aux deux étages de la pompe. La première chambre 110 est mise en communi- cation avec le réservoir de liquide à pomper par l'inter- médiaire d'un clapet d'admission 120, nécessairement anti- retour L'une des parois de la chambre est constituée d'une membrane déformable 130 permettant d'en faire varier le volume Un conduit 140 permet au liquide d'être refoulé vers la seconde chambre, par l'intermédiaire d'un canal de transfert 310 muni d'un clapet anti-retour 320. La seconde chambre 210 présente une structure similaire, mais joue un rôle inverse: elle communique avec les organes d'utilisation par l'intermédiaire d'un clapet d'échappement 220, éventuellement anti-retour, et reçoit le liquide provenant de la première chambre par un canal d'admission 240 La membrane 230 qui constitue l'une de ces parois est identique à la membrane de la première chambre. La pression du GPL en sortie de pompe est de l'ordre d'une dizaine de bars, c'est-à-dire nettement supérieure à la pression d'équilibre liquidevapeur, afin d'éviter toute vaporisation en ligne, même en cas de surchauffes locales. Les membranes sont actionnées par un piston 400, également représenté en plan, seul, sur la figure 2. Sur la figure 1, le piston a été représenté dans la position correspondant à un déplacement maximal vers la droite de la figure, c'est- à-dire pour un volume maximum de la première chambre et un volume minimum de la seconde chambre; cette position sera appelée par la suite "point mort haut", la position inverse étant le "point mort bas". Le piston présente deux surfaces 410 et 420 pouvant venir en contact avec les membranes 130 et 230, mais non solidarisées à celles-ci, pour les rendre "flottantes" (augmentation de volume de la chambre sans aspiration, par le seul déplacement passif de la membrane sous la poussée du liquide). Les surfaces de contact sont de préférence sphériques, ce qui permet une mise en contact pro- gressive avec la membrane Le piston 400 est entraîné dans un mouvement alternatif par un moto-réducteur 500 actionnant en rotation un excentrique 510 monté sur un vilebrequin 520. L'étanchéité entre les culasses de chaque étage est assurée par des joints tels que 600 Des joints toriques 700, disposés dans des gorges 430 du piston, assurent l'étanchéité entre ce dernier et le corps 300 de la pompe. L'étanchéité entre le piston et les chambres est assurée par les membranes flottantes 130 et 230. Cette disposition évite, de manière caractéristique, la cavitation En cas de rupture d'une membrane, la pompe pourrait continuer à fonctionner, mais avec des performances moindres car elle deviendrait aspirante. L'étanchéité vers l'extérieur resterait partiellement - assurée par les joints toriques 700 Il se produirait alors une vaporisation du liquide à l'intérieur de la pompe, avec les risques de cavitation précités Poir éviter que la pompe ne fonctionne de manière défec-ueuse dans de telles conditions, un canal de sécurité 33) met en communication les espaces 150 et 250 situés derrière les membranes: dans ce cas, dès que l'une des membranes n'est plus étanche, le canal de sécurité équilibre les pressions entre les deux étages, et interrompt le fonctionnement de la pompe en la court- circuitant. La figure 3 montre une des membranes, par exemple la membrane 130, seule En l'absence de solli- citation extérieure, elle présente une déformation permanente de flèche f, pour améliorer son caractère "flottant" De préférence, cette membrane est réalisée en un matériau élastomère et les joints d'étanchéité 600 sont directement vulcanisés à la périphérie de la membrane. Le fonctionnement de la pompe est le suivant lorsque le piston se déplace vers la droite, c'est-à-dire du point mort bas au point mort haut, il laisse la membrane se déformer sous la pression du GPL liquide qui emplit la première chambre, en traversant le clapet anti-retour d'admission Ce clapet impose une perte de charge, et le transfert du liquide se fait donc avec une légère détente; en conséquence, une fraction de gaz se vaporise (cette vaporisation est cependant limitée du fait de l'absence d'aspiration; ce sont les seules pertes de charge dans les conduites ou les clapets d'admission qui provoquent la détente). Une fois la première chambre emplie, le sens de déplacement du piston s'inverse, et celui-ci se déplace vers le point mort bas La pression augmente dans la première chambre et la fraction vaporisée du liquide se reliquéfie En même temps, le clapet d'admission 120 se ferme et le liquide est transféré vers la deuxième chambre, par l'intermédiaire du clapet de transfert 320. La membrane de la seconde chambre est libre de se dé- former dans le sens de l'augmentation du volume de celle-ci. Enfin, après une nouvelle inversion de sens du déplacement du piston, ce dernier comprime la membrane de la seconde chambre et refoule le liquide vers les organes d'utilisation, par l'intermédiaire du clapet d'échappement 220 (simultanément, se déroule la phase d'admission dans la première chambre, décrite plus haut; le clapet de transfert 320 assure l'indépendance des 25256 7 fonctions d'admission dans la première chambre et de refoulement hors de la seconde chambre). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. e REVENDICATIONS 1 Pompe volumétrique à au moins deux étages pour gaz de pétrole liquéfiés, caractérisée en ce que le fluide est pompé en phase liquide, et en ce qu'elle comporte: au moins deux chambres ( 110, 210), un clapet antiretour d'admission ( 120) du liquide à pomper, communiquant avec la première chambre, un clapet d'échappement ( 220) du liquide pompé, communiquant avec la seconde chambre, un canal de transfert ( 310), mettant en communica- tion les deux chambres et muni d'un clapet ( 320) interdisant le retour du liquide de la seconde chambre vers la première, chaque chambre comprenant une paroi formée d'une membrane ( 130, 230) déformable librement, dans le sens de l'aug- mentation du volume de la chambre, sous l'effet de la pression du liquide, et déformable de manière commandée, dans l'autre-sens, sous l'action de moyens d'actionnement agissant alternativement sur les membranes de l'une et l'autre chambre. 2 Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les membranes présentent, en l'absence de sollicitation extérieure, une déformation permanente. 3 Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que la flèche (f) de la déformation permanente est voisine de la course des moyens d'actionnement. 4 Pompe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les membranes sont constituées d'une matière élastomère. 5 Pompe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'actionnement com- portent un piston ( 400) animé d'un mouvement alternatif sous l'action d'un excentrique ( 510), et muni de deux surfaces de pression ( 410, 420) disposées de part et d'autre de l'excentrique. 6 Pompe selon la revendication 5, caractérisée en ce que les surfaces de pression sont des surfaces sphériques. 7 Pompe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'actionnement sont des moyens hydrauliques ou pneumatiques. 8 Pompe selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un canal de sécu- rité ( 330) mettant en communication les volumes ( 150, 250) situés derrière chacune des membranes. 9 Pompe selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est immergée. Procédé d'injection de carburant dans la chambre de combustion d'un moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter en phase liquide un gaz de-pétrole liquéfié dont la press on d'injection est obtenue par une pompe selon l'une des revendications 1 à 9.