Brevet FR2702801A1 — publié le 19940923

La présente invention concerne une soupape d'injection de gaz pour injecter un carburant sous forme gazeuse, notamment de l'hydrogène, dans la chambre de com- bustion d'un moteur à combustion interne, laquelle soupape comprend dans un corps un piston guidé en translation longi- tudinale et un élément obturateur,réuniunitairementavec le piston, prévu pour la commande d'un orifice d'injec- tion et agencé comme une partie en forme de disque, s'ouvrant dans le sens d'injection, le piston séparant une chambre à gaz située du côté de l'élément obturateur et une chambre à fonction hydraulique de commande qui est opposée à la chambre à gaz et qui peut être sollicitée par la pression de refoulement d'un liquide hydraulique de commande débité par une pompe de pression et aspiré auparavant à partir d'un réservoir de liquide de commande. Une soupape d'injection de gaz de ce genre est connue d'après le document DE 35 41 484 Al, cette soupape comportant dans son corps un piston guidé en translation longitudinale en opposition à la force d'un ressort, en liaison avec une aiguille de soupape par l'intermédiaire d'une tige et séparant une chambre remplie de carburant sous pression d'une chambre à fonction hydrau- lique de commande, remplie d'huile sous pression. La chambre de carburant est entourée, par l'in- termédiaire d'un conduit disposé -librement et également par l'intermédiaire de trous prévus dans le corps de soupape, par une chambre de pression entourant l'épaule- ment de l'aiguille de soupape qui est soumis à la pression. La pression de l'huile de commande et la pression de carburant dans l'ensemble du système d'alimentation sont égales entre les différentes injections et la force de fermeture agissant sur le piston pousse l'aiguille de soupape contre son siège La force de fermeture appliquée à l'aiguille de soupape est ainsi exercée exclusivement par le ressort de fermeture. Au début du refoulement produit par la pompe de pression, la pression dans la chambre à fonction hydrau- lique de commande augmente, le piston est poussé en oppo- sition à la force exercée par le ressort de fermeture et simultanément la pression de carburant augmente Aussi- tôt que dans la chambre de carburant la pression d'ouver- ture de l'aiguille de soupape est atteinte, du carburant s'écoule, par l'intermédiaire de l'orifice de sortie, dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne. En outre d'après la demande de brevet allemand DE-OS 20 38 097, notamment la Figure 3 et la page 9 de la description, il est connu une soupape d'injection de gaz pour injecter du carburant sous forme gazeuse, cette soupape comportant dans son corps un piston dépla- çable en translation longitudinale ainsi qu'un élément obturateur pour commander un orifice de sortie de jet. Dans cette réalisation, le mélange pénétrant dans la chambre de combustion constitue simultanément l'agent sous pression servant à l'actionnement de l'élément obtu- rateur de la soupape, agencé comme un disque Pour l'ac- tionnement, il est cependant possible de prévoir également un agent de pression additionnel, qui agit sur un piston prévu dans l'élément obturateur de la soupape et qui assiste l'ouverture de cette dernière Le rappel de la soupape dans la position initiale est assuré par la force d'un ressort. L'invention a pour objet de simplifier la soupape d'injection de gaz connue d'après la demande de brevet allemand DE-OS 20 38 097 en ce qui concerne la fonction de fermeture de la soupape et de permettre en outre l'in- jection de petites quantités de carburant. Pour la résolution du problème posé, la soupape d'injection de gaz conforme à l'invention est caractérisée en ce que, lorsque la chambre à fonction hydraulique de commande est déchargée en pression, la soupape à disque peut être bloquée dans la position de fermeture exclu- sivement par la pression de gaz. Selon d'autres caractéristiques de la soupape d'injection de carburant sous forme gazeuse conforme à l'invention: La chambre à gaz est constituée par un volume annulaire entourant la tige de la soupape à disque et s'étendant du piston jusqu'au disque de la soupape, le piston ayant un diamètre sensiblement plus grand que le disque. La soupape pourvue d'un disque de forme conique comporte, dans sa zone inférieure située du côté de la chambre de combustion,une surface formant siège, adaptée au cône d'appui de la soupape dans le trou d'injection et la zone supérieure forme en coopération avec le trou d'injection un intervalle annulaire. La tige de la soupape à disque est réalisée en deux parties et ces deux parties sont accouplées de façon articulée. La chambre à fonction hydraulique de commande contient une soupape de décharge de pression qui, dans la position d'ouverture de la soupape d'injection, libère un trajet d'écoulement vers le réservoir de liquide de commande à partir d'une pression définie dans la chambre à fonction hydraulique de commande. Il est prévu,à l'extrémité inférieure du corps de soupape, un chapeau d'injection qui comporte au moins un orifice de sortie de jet. Pour la commande de la soupape d'injection de gaz, aucun ressort de fermeture n'est nécessaire. La force de fermeture est produite, quand la chambre à fonction hydraulique de commande est déchargée, seulement par la pression de gaz qui maintient également la soupape à disque dans la position de fermeture Le mouvement de fermeture est ainsi effectué d'une façon purement pneumatique Grâce à la réalisation sans ressort de ferme- ture, il est possible, par suite de l'ouverture rapide de la soupape d'injection de gaz, d'assurer la régulation de petites quantités de carburant gazeux. Dans le cas o la soupape d'injection est réali- sée en deux parties et o le piston et la soupape à disque sont accouplés l'un avec l'autre, on évite des difficultés en ce qui concerne le guidage et l'étanchéité de la soupape d'injection, d'autant plus qu'également la pression du gaz s'exerçant autour de l'ensemble de la soupape est la même. La soupape de décharge de pression est conçue de telle sorte que, à partir d'une pression définie dans la chambre à fonction hydraulique de commande, cette soupape s'ouvre mais que cependant la soupape à disque soit maintenue dans la position d'ouverture quand la pompe débite. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mis en évidence dans la suite de la descrip- tion, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 représente une soupape d'injection de gaz conforme à l'invention, la Figure 2 représente la soupape d'injection de gaz munie d'un chapeau d'injection du côté de la chambre de combustion. Une soupape d'injection de gaz 1, agencée pour injecter de l'hydrogène dans la chambre de combustion d'un moteur à injection et compression d'air, se compose d'un piston 3, guidé en translation longitudinale dans le corps 2 de la soupape, et d'une soupape à disque 4 s'ouvrant vers l'extérieur. Le piston 3, pourvu d'une bague d'étanchéité , sépare une chambre à gaz 6, située du côté de la soupape à disque,d'une chambre 7 à fonction hydraulique de commande, dans laquelle du liquide hydraulique de commande, débité sous pression par une pompe 8, comme par exemple du carbu- rant diesel, est introduit par l'intermédiaire d'un con- duit d'alimentation 9. La chambre 7 à fonction hydraulique de commande est en liaison avec un conduit de retour 11, aboutissant à un réservoir 10 de liquide de commande et qui comporte une soupape 12 de décharge de pression par l'intermédiaire de laquelle le liquide hydraulique de commande débité revient, à partir d'une pression réglable au montage, dans la chambre 7 à fonction hydraulique de commande. La soupape 12 de décharge de pression peut être intégrée dans la soupape d'injection de gaz 1 ou bien elle peut être disposée à l'extérieur de cette soupape. La soupape à disque 4 se compose d'un disque 4 a, pénétrant partiellement dans le trou cylindrique d'injection 13 dans la position de fermeture de la soupape d'injection de gaz 1, et d'une tige de soupape 4 b en deux parties, qui sont accouplées de façon articulée dans une zone proche du piston 3 Du fait de la structure en deux parties, on obtient un guidage judicieux et une meilleure étanchéité au gaz La tige de soupape 4 b forme une délimitation intérieure, et la paroi intérieure du corps de soupape 2 une délimitation extérieure, pour la chambre à gaz 6 agencée comme un volume annulaire et s'étendant de la surface annulaire 3 a du piston 3 jusqu'au disque 4 a de la soupape 4. Le trou d'injection 13 est pourvu d'une surface conique 13 a située du côté de la chambre de combustion et contre laquelle vient s'appliquer de façon étanche la partie inférieure de la surface conique de siège du disque 4 a. Le trou d'injection et la tige de soupape forment un intervalle annulaire 14. La surface annulaire 3 a prévue sur le piston 3 est sensiblement plus grande que la surface prévue sur le disque 4 a de la soupape 4 La différence entre les surfaces établit la force de fermeture, ce qui signifie que, pour une faible pression du liquide hydraulique de ccmmande dans la chambre 7, exclusivement la pression de gaz régnant dans la chambre 6 maintient la soupape d'injection 1 dans la position de fermeture. Le corps de soupape 2 est pourvu d'un épaulement faisant saillie vers l'intérieur et servant de butée de limitation de course pour le piston 3. La référence 16 désigne un réservoir de stockage de gaz dans lequel règne une pression de gaz constante comprise entre 20 et 200 x 105 Pa La grandeur de la pres- sion d'injection constante est directement en relation avec la durée de fermeture nécessaire de la soupape. Du gaz parvient, par l'intermédiaire d'un trou transversal 17 formé dans le corps de soupape 2, dans le volume annu- laire ou chambre à gaz 6. Dans le corps de soupape 2, on peut en outre prévoir un ressort 18 d'assurance de position- nement qui, dans la position de fermeture de la soupape 1 d'injection de carburant gazeux, sert à créer une étan- chéité plus sûre et par conséquent plus correcte de la soupape à disque 4 contre le trou d'injection 13 Ce ressort 18 s'appuie d'un côté contre le piston 3 et de l'autre côté contre un collet 19 disposé en dessous de l'épaulement 15. Le cas échéant, en vue d'un profilage optimal du jet d'injection, on peut prévoir un chapeau d'injection 20 pourvu d'un ou plusieurs orifices de sortie de jet 21, ce chapeau étant relié fixement à l'extrémité inférieure du corps de soupape 2. On va maintenant décrire le mode de fonctionne- ment du système: La soupape d'injection 1 est située comme indiqué sur la Figure 1 dans la position de fermeture o seulement la pression d'hydrogène régnant dans la chambre à gaz 6 sert à produire la force de fermeture de la soupape 1 Aussitôt que la pompe 8 débite sous pression du liquide hydraulique de commande, il s'établit dans la chambre 7 à fonction hydraulique de commande une pression qui pousse le piston 3 en opposition à la pression d'hydrogène et qui ouvre simultanément la soupape à disque 4 dans le sens d'écoulement de l'hydrogène. Ainsi de l'hydrogène est injecté, par l'intermédiaire de l'intervalle annulaire 14,dans la chambre de combustion en étant pulvérisé avec une forme d'éventail. Lorsque la pompe 8 génératrice de pression, comman- dée par rotation de son piston, ne doit encore effec- tuer aucune fourniture de liquide hydraulique et lorsqu'en outre du liquide de commande est injecté, le piston 3 est encore maintenu contre sa butée 15 Le carburant diesel ainsi débité constamment revient au réservoir de liquide de commande 10 par l'intermédiaire de la soupa- pe de décharge de pression 12, à partir d'une pression définie dans la chambre 7 à fonction hydraulique de com- mande. A la fin de la fourniture de carburant, la chambre 7 à fonction hydraulique de commande n'est plus en pression La pression d'hydrogène ramène la soupape d'injection 1 dans sa position de fermeture tandis que le liquide de commande, refoulé jusque dans la chambre 7 à fonction hydraulique de commande, revient à la pompe 8 quand la soupape de décharge de pression 12 est fermée et retourne finalement au réservoir de liquide de commande. REVENDICATIONS 1 Soupape ( 1) d'injection de gaz pour injecter un carbu- rant sous forme gazeuse, notamment de l'hydrogène, dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, laquelle soupape comprend dans un corps ( 2) un piston ( 3) guidé en translation longitudinale et un élément obtura- teur, réuni unitairement avec le piston, prévu pour la commande d'un orifice d'injection ( 13) et agencé comme une partie en forme de disque ( 4), s'ouvrant dans le sens d'injection, le piston ( 3) séparant une chambre à gaz ( 6) située du côté de l'élément obturateur et une chambre ( 7) à fonction hydraulique de commande qui est opposée à la chambre à gaz ( 6) et qui peut être sollicitée par la pression de refoulement d'un liquide hydraulique de commande débité par une pompe de pression ( 8) et aspiré auparavant à partir d'un réservoir de liquide de commande, caractérisée en ce que, lorsque la chambre ( 7) à fonction hydraulique de commande est déchargée en pression, la soupape à disque ( 4) peut être bloquée dans la position de fermeture exclusivement par la pression de gaz. 2 Soupape d'injection de gaz selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la chambre à gaz ( 6) est constituée par un volume annulaire entourant la tige ( 4 b) de la soupape à disque ( 4) et s'étendant du piston ( 3) jusqu'au disque ( 4 a) de la soupape ( 4), le piston ( 3) ayant un diamètre sensiblement plus grand que le disque ( 4 a). 3 Soupape d'injection de gaz selon la reven- dication 1 ou 2, caractérisée en ce que la soupape ( 4) pourvue d'un disque ( 4 a) de forme conique comporte, dans sa zone inférieure située du côté de la chambre de com- bustion,une surface formant siège ( 4 a'), adaptée au cône d'appui ( 13 a) de la soupape dans le trou d'injection ( 13),et en ce que la zone supérieure forme en coopération avec le trou d'injection ( 13) un intervalle annulaire ( 14). 4 Soupape d'injection de gaz selon une des reven- dications 1 à 3, caractérisée en ce que la tige ( 4 b) de la soupape à disque ( 4) est réalisée en deux parties et ces deux parties sont accouplées de façon articulée. 5 Soupape d'injection de gaz selon une des reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce que la chambre ( 7) à fonction hydraulique de commande contient une soupape ( 12) de décharge de pression qui, dans la position d'ou- verture de la soupape d'injection ( 1), libère un trajet d'écoulement vers le réservoir ( 10) de liquide de commande à partir d'une pression définie dans la chambre ( 7) à fonction hydraulique de commande. 6 Soupape d'injection de gaz selon une des reven- dications 1 à 5, caractérisée en ce qu'il est prévu, à l'extrémité inférieure du corps de soupape ( 2), un chapeau d'injection ( 20) qui comporte au moins un orifice ( 21) de sortie de jet.