Brevet FR2771139A1 — publié le 19990521

La présente invention concerne un circuit d'alimentation d'un moteur à combustion interne en carburant gazeux liquéfié, notamment en gaz de pétrole liquéfié, ainsi qu'un injecteur de carburant destiné à un tel circuit d'alimentation. On décrit l'invention en référence au gaz de pétrole liquéfié "GPL" utilisé comme carburant, à titre d'exemple de carburant gazeux liquéfié. Cependant, l'invention s'applique aux autres carburants gazeux liquéfiés. Tous ces carburants ont pour propriété de demeurer à l'état liquide sous une pression relativement faible par exemple 7 à 12 bar) si bien qu'ils peuvent être transportés et stockés facilement dans cet état. Ces carburants sont conservés à l'état liquide, de la production jusqu'à la consommation. Le remplissage des réservoirs des véhicules est réalisé sous forme liquide. Le gaz de pétrole liquéfié utilisé comme carburant est un mélange d'hydrocarbures essentiellement composé de butane et de propane. Il comporte en outre une certaine quantité de butènes, d'éthane et d'éthylène. Cependant, dans le présent mémoire, l'expression "composant principal" se réfère uniquement au butane et au propane, dans le cas du gaz de pétrole liquéfié, c'est-à-dire les composants qui sont présents en général en quantité au moins égale à 30 % en poids. Le gaz de pétrole liquéfié carburant présente un certain nombre d'avantages par rapport aux autres carburants dans le cas des moteurs à combustion interne. Le premier avantage est que ce carburant a des performances avantageuses au point de vue de l'environnement. Il n'est pas toxique, il ne contient pratiquement pas de soufre, de plomb, ni de benzène et les gaz d'échappement qu'il produit ne contiennent que des quantités de CO, d'hydrocarbures et de NOx très inférieures à celles que donnent des moteurs à essence. En outre, la combustion ne produit pas de particules, si bien que ce carburant est particulièrement performant dans les conditions urbaines. Un second avantage du gaz de pétrole liquéfié carburant est que la combustion réalisée dans les moteurs est propre et ne laisse pas de calamine pouvant encrasser les moteurs. En outre, étant donné qu'il s'agit d'un carburant en phase gazeuse lors de la combustion, le "lessivage" des cylindres par un excès de carburant liquide lors d'un démarrage à froid ne se produit pas. Le lubrifiant du moteur n'est donc pas dilué et il conserve plus longtemps ses caractéristiques optimales. Un troisième avantage important du gaz de pétrole liquéfié carburant est que le confort de conduite est accru par rapport aux carburants traditionnels. En effet, pour des performances mécaniques à peu près égales à celles d'un moteur à essence, un moteur à gaz de pétrole liquéfié donne un bruit notablement réduit. Il faut en outre noter que la quantité d'énergie du gaz de pétrole liquéfié logé dans un réservoir de carburant d'un véhicule automobile est pratiquement égale à celle qui est obtenue avec les autres carburants liquides. Tous les avantages précités sont obtenus indépendamment du rapport du butane et du propane contenus dans le gaz de pétrole liquéfié. Selon les pays, ces proportions varient, en général entre 40/60 et 60/40. Les inconvénients de l'utilisation de ces carburants gazeux liquéfiés sont essentiellement l'encombrement du réservoir, et le coût de l'équipement particulier du véhicule. Le premier inconvénient, l'encombrement du réservoir, a été récemment supprimé par une technique de fabrication du réservoir en un matériau composite à nid d'abeilles qui permet la réalisation de réservoirs ayant pratiquement la même configuration et le même encombrement que les réservoirs pour autres carburants liquides. Un autre inconvénient est le coût dû à la nécessité de l'utilisation, selon la technique connue, d'une électrovanne, d'un vaporisateur-détendeur et d'un carburateur à gaz. I1 faut noter que cet équipement s'ajoute à celui qui est normalement présent dans le véhicule, étant donné que la réglementation de la plupart des pays consommateurs de gaz de pétrole liquéfié carburant imposent la réalisation du véhicule avec deux circuits d'alimentation, l'un pour le gaz de pétrole liquéfié, et l'autre pour un autre carburant liquide, tel que l'essence. La figure 1 représente un exemple de circuit d'alimentation en gaz de pétrole liquéfié de la technique antérieure. Le gaz de pétrole liquéfié est stocké sous pression dans un réservoir 10 cylindrique muni d'une soupape de décharge de sécurité 12. Le carburant, à une pression déterminée essentiellement par la température du carburant dans le réservoir 10 et qui est en général de l'ordre de 5 à 8 bar et plus, est transmis par une canalisation 14 à un vaporisateur 16. Le carburant vaporisé est introduit dans la tubulure d'admission 18 du moteur 20. Habituellement, le vaporisateur 16 est chauffé par la chaleur du fluide du circuit 22 de refroidissement du moteur 20. On a aussi représenté à titre d'exemple des injecteurs 24 d'essence débouchant dans la tubulure d'admission 18 juste en amont du moteur 20, ces injecteurs étant alimentés par un circuit normal 26 d'injection d'essence. Un inconvénient de cette introduction du gaz de pétrole dans la tubulure d'admission à l'état gazeux est que le volume de gaz introduit est important. Cette admission doit donc être réalisée suffisamment en amont par rapport au moteur. Dans le cas d'un moteur à injection d'essence multipoint, c'est-à-dire ayant un injecteur par cylindre ou par groupe de deux cylindres, l'introduction du carburant gazeux loin en amont dans la tubulure d'admission peut se répercuter sur l'alimentation des autres cylindres, compte tenu de l'inertie relative des courants formés. En outre, étant donné cette injection à l'état gazeux, il est nécessaire de modifier le circuit d'admission afin que ce grand volume puisse être introduit en amont du moteur ("carburant à gaz") L'invention concerne un circuit d'alimentation en carburant gazeux liquéfié qui se distingue des circuits d'alimentation connus en ce que le carburant gazeux liquéfié est introduit par injection à l'état liquide. Selon l'invention, le carburant liquide est refoulé à une pression élevée (20 à 25 bar) telle que le carburant est à l'état liquide et est injecté dans la tubulUre d'admission juste en amont des soupapes d'admission des cylindres, en un ou plusieurs points. Cette injection est de préférence réalisée avec des injecteurs selon l'invention qui permettent l'injection simultanée de deux carburants liquides, le carburant gazeux liquéfié et un autre carburant tel que l'essence. Plus précisément, l'invention concerne un circuit d'alimentation d'un moteur à combustion interne en carburant gazeux liquéfié contenant au moins un composant principal, du type qui comporte un réservoir sous pression relié au moteur par une canalisation ; selon l'invention, le moteur à combustion interne est un moteur à injection qui comporte au moins un injecteur introduisant le carburant dans le circuit d'admission, et la canalisation comporte, entre le réservoir et le moteur, une pompe de carburant gazeux liquéfié destinée à mettre le carburant à une pression qui, pendant le fonctionnement, est constamment supérieure ou égale à la pression de vapeur du composant principal le plus volatil à la température la plus élevée atteinte par l'injecteur. De préférence, le circuit comporte en outre une canalisation de retour de carburant gazeux liquéfié entre le moteur et le réservoir, et le débit de la pompe est supérieur au double du débit de carburant consommé par le moteur. Il est en outre avantageux que l'injecteur au moins possède un orifice d'entrée et un orifice de sortie, afin que le carburant gazeux liquéfié circule dans l'injecteur et le refroidisse. De préférence, le carburant gazeux liquéfié est du gaz de pétrole liquéfié, et le gaz de pétrole liquéfié contient du butane et du propane en proportions comprises entre 60/40 et 40/60, avec les composants secondaires habituels. Il est en outre avantageux que la pression créée par la pompe au niveau de l'injecteur au moins soit supérieure ou égale à 20 bar environ. Dans un exemple de réalisation, le moteur comporte plusieurs injecteurs placés chacun dans le circuit d'admission en amont d'une soupape d'admission d'un cylindre au moins, et chaque injecteur est monté en parallèle par rapport aux autres, à un orifice d'entrée de chacun des injecteurs. L'invention concerne aussi un injecteur de carburant destiné à un circuit d'alimentation d'un moteur à combustion interne objet des précédents paragraphes, qui comprend une aiguille interne destinée à coopérer avec un premier siège et à être déplacée par rapport au premier siège par un premier organe de manoeuvre, une aiguille externe disposée concentriquement à l'aiguille interne et destinée à coopérer avec un second siège et à être déplacée par rapport au second siège par un second organe de manoeuvre, et un corps entourant l'aiguille externe, le premier et le second siège étant concentriques. De préférence, le premier siège est placé sur l'aiguille externe et le second siège sur le corps. I1 est en outre avantageux que le corps comporte un orifice d'entrée de carburant gazeux liquéfié et un orifice de sortie du carburant, et que les deux orifices du corps de l'injecteur soient sensiblement opposés par rapport à l'axe central de l'injecteur. Dans un exemple de réalisation, le premier organe de manoeuvre comporte un organe de commande porté par l'aiguille externe et un élément commandé porté par l'aiguille interne, et, dans un autre exemple de réalisation, le premier organe de manoeuvre comprend un organe de commande porté par le corps et un élément commandé porté par 1 ' aiguille interne. Dans un autre exemple de réalisation, le second organe de manoeuvre comprend un organe de commande porté par le corps et un élément commandé porté par l'aiguille externe. Dans un mode de réalisation, l'organe de commande est une bobine d'électro-aimant et l'élément commandé est un noyau magnétique. Dans un autre mode de réalisation, l'organe de manoeuvre est de type piézoélectrique. Dans un exemple de réalisation, le premier organe de manoeuvre est de type électromagnétique et le second organe de manoeuvre est de type piézoélectrique. I1 est avantageux que seul l'un des deux organes de manoeuvre soit commandé à un moment donné, et que les organes de manoeuvre soient commandés par un ordinateur du véhicule dans lequel est monté le moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1, déjà décrite, est un schéma d'un circuit d'alimentation en gaz de pétrole liquéfié de type connu la figure 2 est un schéma d'un circuit d'alimentation en gaz de pétrole liquéfié selon l'invention, dans un exemple de réalisation avantageux la figure 3 est une vue schématique en plan indiquant l'alimentation en carburant des injecteurs représentés sur la figure 2 ; et la figure 4 est une coupe d'un exemple d'injecteur de deux carburants, l'essence dans la partie centrale et le gaz de pétrole liquéfié dans la partie périphérique. La figure 2 représente un circuit d'alimentation selon l'invention. Du gaz de pétrole liquéfié est conservé dans un réservoir 28, ayant de préférence une configuration adaptée au châssis du véhicule. Le réservoir comporte une soupape de décharge de sécurité 30. Une canalisation 32 d'alimentation conduit le gaz de pétrole liquéfié à une pompe 34 de carburant qui porte la pression du carburant à une pression qui est constamment supérieure à la pression de vapeur du composant principal le plus volatil du carburant, à la température la plus élevée atteinte par l'injecteur 36. La pression donnée par la pompe 34 est par exemple comprise entre 20 et 25 bar. Ce carburant à haute pression et à l'état liquide parvient à au moins un injecteur 36. Sur la figure 2, un seul injecteur est représenté dans la tubulure d'admission 38 d'un moteur 40. Il s'agit d'une injection monopoint. Au contraire, sur la figure 3, on a représenté quatre injecteurs 36, correspondant à une injection multipoint. La canalisation 32 forme une rampe d'alimentation et la canalisation 42 une rampe de retour. Selon une caractéristique d'un mode de réalisation avantageux de l'invention, le circuit d'alimentation comporte une canalisation 42 de retour. De préférence, la pompe 34 fonctionne à un débit constant qui est supérieur au double au moins du débit consommé par les injecteurs 36 à pleine charge. De cette manière, une grande quantité de carburant revient par la canalisation 42 dans le réservoir 28. Il est avantageux que cette canalisation de retour 42 parte de l'injecteur lui-même, c'est-à-dire que la canalisation 32 d'alimentation et la canalisation 42 de retour soient toutes deux connectées à l'injecteur 36 à des emplacements différents, si bien que le corps de l'injecteur luimême est refroidi par la circulation du carburant liquide. Cette caractéristique est indiquée sur la figure 3 qui représente un exemple de réalisation d'injection multipoint dans lequel chaque injecteur 36 est raccordé aux canalisations 32 d'alimentation et 42 de retour en parallèle par rapport aux autres injecteurs. De cette manière, tous les injecteurs sont pratiquement à la même température, et cette température est relativement basse. En effet, il est souhaitable que la température des injecteurs 36, même lorsqu'elle est maximale, soit relativement faible afin que la pompe 34 puisse travailler à une pression raisonnable. Ainsi, lorsque la température maximale des injecteurs 36 est 50 OC, une pression de 25 bar donnée par la pompe 34 est largement suffisante. On a indiqué, dans le circuit d'alimentation de la figure 2, que le circuit 44 d'alimentation en essence du moteur rejoignait aussi l'injecteur 36 du gaz de pétrole liquéfié. I1 s'agit d'une caractéristique avantageuse de l'invention dans la mesure où la transformation d'un moteur à essence en moteur à gaz de pétrole liquéfié ne nécessite pas l'addition d'un élément tel qu'un vaporisateur, dans la tubulure d'admission, car l'injecteur ou les injecteurs des deux carburants peuvent être montés dans le trou ou les trous prévus pour le montage des injecteurs d'essence. La figure 4 représente un tel injecteur qui peut être monté dans un trou prévu pour un injecteur d'essence, et qui cependant permet l'injection soit d'essence, soit de gaz de pétrole liquéfié. L'injecteur représenté sur la figure 4 comporte un corps cylindrique 46 qui se termine, à la partie inférieure, par un embout fileté 48 destiné à se visser dans le trou taraudé normalement prévu dans un moteur pour le montage d'un injecteur d'essence. Une aiguille externe creuse 50 est destinée à se déplacer en translation dans le corps 46 et une aiguille interne 52 est destinée à se déplacer en translation dans l'aiguille externe creuse 50. Cette aiguille interne 52 porte sur sa longueur des groupes d'ailettes 24 guidant l'aiguille 52 dans l'alésage interne de l'aiguille externe 50 lorsque la pointe de l'aiguille s'écarte et se rapproche d'un siège 56 formé à l'intérieur de l'aiguille creuse 50. L'aiguille 52 ferme donc l'orifice par coopération avec le siège 56 lorsqu'elle est rappelée vers le bas par un ressort 58 retenu entre un épaulement de l'aiguille interne 52 et un épaulement d'un capuchon solidaire de l'aiguille externe 50. L'aiguille interne 52 peut être écartée de son siège, lorsqu'une injection d'essence doit être réalisée, par attraction d'un noyau magnétique externe 60 solidaire de l'aiguille 52 par une bobine 62 qui entoure la partie supérieure de l'aiguille creuse 52 et qui reçoit un courant commandé par des fils 64. Lorsque l'aiguille interne 52 est écartée du siège 56 par alimentation de la bobine 62 en courant, l'essence qui pénètre par l'orifice 66 peut s'écouler entre l'aiguille interne 52 et l'aiguille externe 50 jusqu'au siège 56 pour être injectée. L'aiguille externe 50 est guidée en translation dans le corps 46 par des ailettes 68 et un joint d'étanchéité 70 placé à la partie supérieure d'un manchon vissé sur le corps 46. L'aiguille externe 50 est repoussée contre un siège 72, formé à l'intérieur du corps 46, par un ressort 74 qui est en appui contre une collerette de l'aiguille externe et un organe solidaire du corps 46. L'aiguille externe porte aussi, à l'extérieur, un noyau magnétique 76 destiné à être attiré par une bobine 78 d'électro-aimant lorsque celle-ci est alimentée par l'intermédiaire de fils 80. Le gaz de pétrole liquéfié transmis à l'injecteur pénètre par un orifice 82 et l'excès du carburant est évacué par un orifice 84. De cette manière, le corps 46 et l'aiguille externe 50 sont refroidis par la circulation du gaz de pétrole liquéfié On a aussi indiqué, à la partie inférieure du corps 46, des trous 86 destinés au passage du carburant injecté. Bien entendu, lors du fonctionnement, des impulsions électriques d'excitation sont transmises soit aux fils 64, soit aux fils 80, selon que l'alimentation doit être réalisée en essence ou en gaz de pétrole liquéfié. L'injecteur représenté sur la figure 4 comporte un premier organe de manoeuvre qui comprend un élément commandé constitué par le noyau magnétique 60, solidaire de l'aiguille 52, et un élément de commande, constitué par la bobine 60 qui est solidaire de l'aiguille externe 50. L'aiguille externe 50 est elle-même déplacée par un second organe de manoeuvre qui comprend un élément commandé constitué du noyau magnétique 76 et un élément de commande constitué de la bobine 78. Chaque organe de manoeuvre et le ressort associé sont adaptés au carburant particulier (par exemple l'essence à une pression de 3 à 5 bar, et le gaz de pétrole liquéfié à une pression de 20 à 25 bar). Bien qu'on ait représenté les organes de manoeuvre sous forme d'électro-aimants, ils peuvent être remplacés par d'autres types d'organe de manoeuvre. Il est ainsi avantageux que l'un au moins des organes de manoeuvre soit de type piézoélectrique. Par exemple, étant donné que la dimension circonférentielle du siège 72 est beaucoup plus grande que celle du siège 56, la distance dont l'aiguille externe 50 doit être écartée du siège 72 du corps 46 est très faible, de l'ordre de quelques microns ou quelques dizaines de microns, si bien qu'il est possible d'utiliser un organe de manoeuvre piézoélectrique travaillant entre l'aiguille externe 50 et le corps 46 pratiquement à l'empla- cement de la bobine 78. Une telle réalisation présente l'avantage de résoudre le problème de l'étanchéité au carburant entre le corps et l'aiguille externe. Bien qu'on ait décrit un injecteur de type concentrique destiné à injecter deux carburants, il est aussi possible d'utiliser des injecteurs séparés pour les deux carburants. Par exemple, un adaptateur peut être vissé dans le trou normalement prévu dans la tubulure d'admission pour l'injecteur unique du carburant initial, par exemple d'essence. L'adaptateur lui-même comporte deux trous taraudés destinés au montage des deux injecteurs, celui du carburant initial et celui du gaz de pétrole liquéfié. La commande de l'injecteur ou des injecteurs peut être facilement réalisée, comme le savent les hommes du métier, par l'ordinateur de commande d'injection habituellement présent sur un véhicule à moteur à injection. L'ordinateur reçoit par exemple des signaux de capteurs incorporés aux injecteurs ou disposés près de ceux-ci afin qu'il puisse piloter la pompe qui est ainsi régulée. Ainsi, la pompe peut travailler à débit constant, à pression constante ou à pression et débit constants. I1 est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Circuit d'alimentation d'un moteur à combustion interne en carburant gazeux liquéfié contenant au moins un composant principal, du type qui comporte un réservoir sous pression relié au moteur par une canalisation, caractérisé en ce que - le moteur à combustion interne est un moteur à injection (40) qui comporte au moins un injecteur (36) introduisant le carburant dans le circuit d'admission, et - la canalisation (32) comporte, entre le réservoir et le moteur, une pompe (34) de carburant gazeux liquéfié destinée à mettre le carburant à une pression qui, pendant le fonctionnement, est constamment supérieure ou égale à la pression de vapeur du composant principal le plus volatil à la température la plus élevée atteinte par l'injecteur (36). 2. Circuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une canalisation (42) de retour de carburant gazeux liquéfié placée entre le moteur (40) et le réservoir (28), et le débit de la pompe (34) est supérieur au double du débit de carburant consommé par le moteur (40). 3. Circuit d'alimentation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'injecteur au moins (36) possède un orifice d'entrée (82) et un orifice de sortie (84) afin que le carburant gazeux liquéfié circule dans l'injecteur (36) et le refroidisse. 4. Circuit d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carburant gazeux liquéfié est du gaz de pétrole liquéfié, et la pression créée par la pompe (34) au niveau de l'injecteur au moins (36) est supérieure ou égale à 20 bar environ. 5. Circuit d'alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur (40) comporte plusieurs injecteurs (36) placés chacun dans le circuit d'admission (38) en amont d'une soupape d'admission d'un cylindre au moins, et chaque injecteur (36) est monté en parallèle par rapport aux autres, à un orifice d'entrée de chacun des injecteurs. 6. Injecteur de carburant destiné à un circuit d'alimentation d'un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une aiguille interne (52) destinée à coopérer avec un premier siège (56) et à être déplacée par rapport au premier siège par un premier organe de manoeuvre, une aiguille externe (50) disposée concentriquement à l'aiguille interne (52) et destinée à coopérer avec un second siège (72) et à être déplacée par rapport au second siège par un second organe de manoeuvre, et un corps (46) entourant l'aiguille externe, le premier et le second siège (56, 72) étant concentriques. 7. Injecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps (46) comporte un orifice (82) d'entrée de carburant gazeux liquéfié et un orifice (84) de sortie du carburant. 8. Injecteur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le premier organe de manoeuvre comporte un organe de commande (62) porté par l'aiguille externe (50) et un élément commandé (60) porté par l'aiguille interne (52), et le second organe de manoeuvre comprend un organe de commande (78) porté par le corps (46) et un élément commandé (76) porté par l'aiguille externe (50) 9. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'un organe de manoeuvre au moins est de type piézoélectrique. 10. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que seul l'un des deux organes de manoeuvre est commandé à un moment donné, et les organes de manoeuvre sont commandés par un ordinateur du véhicule dans lequel est monté le moteur.