Brevet FR2783032A1 — publié le 20000310

Dispositif de vanne automatique de carburant d'un moteur à - combustion interne. La présente invention concerne le domaine de l'alimentation en carburant de moteurs à combustion interne pourvus d'une injection, notamment d'une injection directe. La pollution atmosphérique est devenue l'un des problèmes majeurs de l'utilisation des moteurs à combustion interne, en particulier dans les villes. Entre autres, cette pollution a pour origine les rejets des véhicules qui sont principalement les particules, les hydrocarbures imbrûlés, les oxydes d'azote, les monoxydes de carbone, et les dérivés du benzène, du toluène et du xylène. Les normes de pollution se durcissent rapidement au fil des années et deviennent fortement contraignantes. La dépollution passe alors par une optimisation poussée de l'injection, de la combustion et par l'adjonction de systèmes de post traitement comme les catalyseurs, l'injection d'air à l'échappement ou la recirculation des gaz d'échappement. Ces systèmes entraînent un surcoût de développement et de production extrêmement important au point que certains envisagent l'abandon du moteur diesel pour les véhicules particuliers. En parallèle à ce phénomène, un certain nombre de carburants dits "de substitution" ont fait leur apparition, le gaz de pétrole liquéfié, le gaz naturel pour véhicule, etc., installables sur les moteurs à allumage commandé. Pour l'instant, les moteurs à cycle diesel ne disposent pas de carburant équivalent. Le diméthyl-éther (DME), utilisé comme gaz propulseur dans les aérosols, pourrait être envisagé en remplacement du gazole à condition d'être produit à des coûts raisonnables. Certains essais ont démontré la faisabilité d'utilisation du DME comme carburant. Ces expériences laissent entrevoir une réduction significative des rejets d'oxyde d'azote et de dérivés du benzène, toluène et du xylène, en dessous des normes en vigueur prévues pour les années à venir. La combustion du DME ne fabriquerait quasiment pas de particules, principal défaut reproché aujourd'hui au gazole. Enfin, le DME aurait peu tendance à former des peroxydes au contact de l'air et de la lumière et aurait un temps de vie inférieur à une huitaine de jours s'il venait à être rejeté dans l'atmosphère. Sa biodégrabilité est donc beaucoup plus satisfaisante que celle de la majorité des autres carburants. Le DME, de formule CH3-O-CH3, est un gaz à température ambiante liquéfiable sous une pression de vapeur de 5 bars environ, ce qui est relativement proche du gaz de pétrole liquéfié et permet d'envisager un stockage dans des conditions similaires à celui-ci. La température d'ébullition est de -24,9 C à la pression atmosphérique. Le DME est produit industriellement à partir de gaz naturel ou de biomasse et serait plus facilement transportable par voie maritime que le gaz naturel qui doit être liquéfié à -162 C. La masse volumique du DME est de 670 kg/m3 à 20 C et son pouvoir calorifique est de 28,43 MJ/kg, ces deux valeurs étant inférieures à celle du gazole. Il faut donc augmenter les volumes injectés pour disposer d'une énergie équivalente dans les cylindres d'un moteur. Par contre, le DME présente un indice de cétane qui mesure la capacité d'un carburant à l'auto-inflammation supérieur à 100 contre environ 48 pour le gazole. Le DME peut donc se satisfaire de systèmes d'injection moins performants que ceux exigés pour le gazole. L'absence de suie à l'échappement rend envisageable l'augmentation du temps d'injection d'o une baisse de la pression maximale dans la chambre de combustion entraînant une sollicitation moindre des matériaux. Enfin, le DME permettrait de se passer du préchauffage lors du démarrage à froid du moteur et donc de supprimer les bougies de préchauffage. Le fait que le DME soit un gaz à température ambiante entraîne une très bonne vaporisation de celui-ci dans les cylindres. Son injection ne nécessite donc pas des pressions aussi élevées que les 1400 bars du gazole, 200 à 300 bars devant s'avérer suffisants. Les propriétés du DME telles que sa compressibilité, son module d'élasticité et sa masse volumique fluctuent fortement avec la température. Il faut donc, soit arriver à maintenir celle-ci dans une fourchette acceptable, soit réaliser un système d'injection fonctionnant malgré ces variations. En particulier, ce problème se pose pour l'injection d'une énergie, et donc d'une masse, fixée, alors que l'injection est pilotée en temps, donc en volume. Il pourra s'avérer nécessaire d'utiliser une correction liée à une mesure de température. La viscosité du DME étant très faible, estimée aux alentours de 0,2 cSt à 20 C contre environ 3 pour le gazole, ce carburant n'est pas apte à assurer la lubrification des pompes basse et haute pression de l'injection. I1 est néanmoins possible d'ajouter au DME un composé augmentant le pouvoir lubrifiant, et ce, dans des proportions n'entraînant pas d'augmentation significative des rejets. Enfin, le DME présente une tendance marquée à fuir au niveau du nez des injecteurs en particulier. Ces fuites risquent de perturber le fonctionnement du moteur, voire de remettre en cause la sécurité de l'installation et de ses utilisateurs. Si une légère fuite au nez de l'injecteur entre chaque injection modifie la quantité de carburant introduite dans le cylindre et donc la combustion dans celui-ci, les conséquences des fuites lorsque le moteur est à l'arrêt peuvent être plus graves. En effet, une fuite de liquide sous l'action de la pression résiduelle du circuit d'injection qui se mesure en centaines de bars, engendre après vaporisation la présence d'un gros volume de gaz dans la chambre de combustion en raison de la détente du gaz et de la multiplication de son volume par un facteur de l'ordre de 300. Ce phénomène peut entraîner l'auto-allumage ou une explosion au démarrage suivant. On connaît des systèmes d'injection adaptés au DME basés sur des systèmes à rampe unique d'injection directe travaillant à des pressions de l'ordre de 200 à 300 bars. Ces architectures possèdent l'avantage de permettre une circulation du fluide compatible avec un système de refroidissement simple, d'être pilotable à partir d'un calculateur intégrant l'ensemble des particularités du DME dont la correction de température, et de séparer la valeur du temps d'injection de la variable pression d'injection afin d'augmenter le nombre de degrés de liberté du système. AVL List et AVL Powertrain Engineering proposent un système d'injection utilisant des composants très coûteux. Placées sur chaque ligne reliant la rampe d'injection et des injecteurs passifs, des électrovannes pilotées ultra rapides et supportant 300 bars commandent l'injection. Leur temps d'ouverture et de fermeture est inférieur à 400 gs à 2500 tr/minute pour les véhicules industriels et à 200 [is à 4800 tr/minute pour les véhicules particuliers, avec des temps de commutation de l'ordre, respectivement, de 150 [is et 80 gus. Un système de purge est mis en place afin de ramener la pression dans les injecteurs à quelques dizaines de bars entre deux injections. Il est réalisé à l'aide d'une dérivation située après l'électrovanne de commande des injecteurs qui est connectée, par l'intermédiaire d'un détendeur, à une ligne de retour moyenne pression. A l'arrêt du moteur, un deuxième système de purge réduit la pression dans la ligne à la pression atmosphérique. Dans une variante, on vide le circuit dans un réservoir additionnel qui recueille le DME gazeux qui est ensuite liquéfié et renvoyé dans le réservoir principal par un compresseur. Dans une autre variante, on utilise un canister qui stocke le DME gazeux. Pour réduire la capacité de ce dernier, une vanne supplémentaire est activée uniquement à l'arrêt du moteur. Elle réduit la partie du circuit ramenée à la pression atmosphérique. Le gaz présent dans le canister est ensuite aspiré dans le collecteur d'admission via un doseur. Celui-ci implique que le canister ait une capacité de stockage de trois à cinq fois le volume de purge du circuit pour supporter plusieurs arrêts successifs du moteur, par exemple en cas de mauvais démarrage, et que le calculateur gère une stratégie complexe de purge et de mise en route du moteur. De telles solutions ne sont pas optimisées en coût et semblent difficilement implantables sur des véhicules particuliers en raison de leur volume et de leur masse. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes de fuites au nez des injecteurs, notamment lors de l'utilisation de carburants gazeux et de proposer un dispositif de vanne économique et écartant le danger présenté par les fuites de carburant au nez de l'injecteur. Le dispositif de vanne automatique, selon l'invention, est du type utilisé pour la fermeture d'un circuit d'injection de carburant pour moteur à combustion interne entre une sortie d'une pompe d'injection à haute pression et un injecteur. Le dispositif comprend un organe rigide d'obturation d'une conduite en provenance de la pompe d'injection, et une membrane reliée sur une face à l'organe d'obturation et en contact sur une autre face avec un fluide compressible, de façon qu'une pression d'injection supérieure à une pression prédéterminée provoque le déplacement de l'organe d'obturation et l'ouverture de la vanne et qu'une pression d'injection inférieure à une pression prédéterminée provoque le retour de l'organe d'obturation et la fermeture de la vanne. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'organe d'obturation comprend un premier clapet coopérant avec un siège solidaire de la conduite en provenance de la pompe d'injection. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'organe d'obturation comprend un second clapet coopérant avec un siège solidaire de la conduite reliée à l'injecteur. Avantageusement, la membrane est disposée dans une chambre dans laquelle débouchent la conduite en provenance de la pompe d'injection et la conduite reliée à l'injecteur. La membrane peut occuper l'ensemble du volume de la chambre, en position d'obturation. La chambre peut être pourvue d'une ouverture dans laquelle est disposé un goulot de la membrane, le dit goulot étant muni d'un obturateur étanche permettant le remplissage du fluide de commande. De préférence, le goulot de la membrane est collé sur une paroi de l'ouverture de la chambre. Dans un mode de réalisation de l'invention, la membrane est réalisée en caoutchouc ou en métal. Dans un mode de réalisation de l'invention, le fluide compressible est de l'air. Dans un mode de réalisation de l'invention, à une pression d'injection inférieure à la pression prédéterminée la membrane n'est plus en contact avec le carburant. On dispose ainsi d'une vanne à fonctionnement automatique non piloté et ne nécessitant pas d'usinages précis et coûteux. La présente invention a également pour objet un moteur thermique comprenant au moins un dispositif de vanne automatique. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue de dessus de la vanne selon l'invention; les figures 2 et 3 sont des vues en coupe axiale de la vanne, en positions fermée et ouverte; la figure 4 est une vue schématique du circuit d'alimentation d'un moteur, selon l'invention; et les figures 5 à 7 sont des variantes de la figure 4. Comme on le voit sur les figures 1 à 3, la vanne automatique comprend un corps 1 de forme générale cylindrique de révolution et pourvu d'une embase 2 à laquelle aboutissent une conduite 3 d'arrivée de carburant et une conduite 4 de sortie de carburant, par exemple vers un injecteur, non représenté. Les conduites 3 et 4 se raccordent à une surface inférieure 2a de l'embase 2 tandis que la surface supérieure 2b de ladite embase est concave en formant un rebord annulaire 5, lequel entoure une portion radiale annulaire 6 formée en creux par rapport audit rebord 5. Un fond 7 de l'embase 2 est formé en creux par rapport à la portion radiale 6 et est en communication avec les conduites 3 et 4. Le corps 1 de la vanne automatique se complète par un couvercle 8 percé en son centre par un trou traversant 9 et pourvu d'une surface radiale annulaire 10 apte à venir en contact avec la portion radiale 6 de l'embase 2. Le centre du couvercle 8 est concave par rapport à la surface radiale 10. La portion radiale 6 et la surface radiale 10 sont de largeur égale de façon que l'embase 2 et le couvercle 8 forment un espace intérieur 11 sans aspérité. A partir du bord extérieur de la surface radiale 10, le couvercle 8 est pourvu d'une surface cylindrique extérieure 12 en concordance de forme avec une surface cylindrique intérieure 13 de l'embase 2. Un joint d'étanchéité 14 est disposé axialement entre le rebord 5 de l'embase 2 et une portion correspondante du couvercle 8. Dans l'espace intérieur 11 du corps 1 est disposée une membrane flexible 15 en contact avec les parois dudit espace intérieur 11 et avec la surface cylindrique intérieure du trou 9 qui forme un goulot, l'extrémité supérieure de la membrane 15 s'étendant à l'extérieur du couvercle 8 en contact avec une surface supérieure radiale 8a dudit couvercle 8. La membrane flexible 15 est ouverte sur l'atmosphère ambiante grâce au trou traversant 9. On prévoit de l'obturer au moyen d'une valve de gonflage d'air ou d'azote 16 qui présente la forme d'un T en section axiale avec une portion s'étendant dans la portion de la membrane 15 située dans le trou 9 et une portion horizontale sur les figures 2 et 3 qui surmonte le couvercle 8 et qui vient écraser la membrane 15 contre la surface supérieure 8a du couvercle 8. La surface extérieure de la portion de membrane 15 disposée dans le trou 9 est, de préférence, pourvue de moyens d'étanchéité avec le couvercle 8, par exemple au moyen d'un collage avec l'alésage dudit trou 9. La zone de raccordement entre l'intérieur 3a, 4a des conduites 3, 4 avec l'espace intérieur 11 est pourvue de chanfreins 17. Ces chanfreins 17 permettent de loger deux clapets métalliques 18 et 19 qui affleurent le fond 7 de l'embase 2 de façon à ne pas former d'aspérité par rapport à la surface radiale dudit fond 7, lorsque la vanne est fermée, voir figure 2. Les clapets 18 et 19 sont en concordance de forme avec leurs chanfreins 17 respectifs afin de garantir une étanchéité en position fermée. La surface supérieure des clapets 18 et 19 est solidarisée à la membrane 15, par exemple par collage de façon à libérer l'intérieur 3a, 4a des conduites 3, 4 en position ouverte, voir figure 3. Dans ce cas, les clapets 18 et 19 se déplacent vers le haut et dégagent les orifices des conduites 3 et 4, ce qui permet la communication de fluide entre la conduite 3 et la conduite 4 par l'intermédiaire de l'espace intérieur 11, à l'extérieur du volume défini par la membrane 15. La membrane 15 est remplie, avant utilisation, d'un fluide de commande, par exemple de l'air sous une pression choisie. Lorsque la pression de carburant dans la conduite 3 est trop faible, inférieure à la pression de fluide de commande, la vanne automatique reste fermée et le carburant, même gazeux ne peut pas fuir. Lorsque la pression de carburant dans la conduite 3 devient suffisante, supérieure à la pression du fluide de commande, cette différence de pression positive provoque la réduction du volume du fluide de commande dans la membrane 15 et par conséquent le déplacement de la membrane 15 et des clapets 18 et 19 vers le haut, ce qui libère la communication entre les deux conduites 3 et 4. Les clapets 18 et 19 permettent d'éviter que la membrane ne soit en contact direct avec le carburant lorsque les conduites 3 et 4 sont à basse pression dans un but de protection de la membrane et en raison des fortes différences de pression pouvant exister entre l'intérieur de la membrane et la conduite 3 ou la conduite 4. Une telle vanne automatique peut s'appliquer à différents types de circuit d'alimentation en carburant de moteur à combustion interne. Quatre variantes sont données à titre d'exemple sur les figures 4 à 7. Comme on peut le voir sur la figure 4, le circuit d'alimentation en carburant du moteur comprend un réservoir de carburant 21, dans lequel est immergée une pompe de gavage 22, également appelée pompe basse pression, qui envoie le carburant dans une conduite 23 reliée à une pompe haute pression 24. La pompe haute pression 24 est reliée par une conduite à une rampe d'injection 26. La rampe d'injection 26 est pourvue d'un régulateur 27 avec une conduite 28 de retour à la conduite 23. A partir de la rampe d'injection 26, s'étendent des systèmes d'injection associés individuellement à chaque cylindre du moteur. Sur la figure 1, quatre de ces systèmes d'injection sont représentés. Seul l'un d'entre eux sera décrit dans ce qui suit, les autres étant identiques. A partir de la rampe d'injection 26, s'étend une conduite 30 amenant le carburant à une première électrovanne 31 par l'intermédiaire d'une vanne automatique 29, conforme à l'invention. La sortie de la première électrovanne 31 est reliée à une conduite 32 amenant le carburant à un injecteur mécanique 33 pourvu d'une aiguille mobile 34 dont le déplacement dépend de la pression fournie à l'injecteur 33. Un limiteur de débit 35 est relié en entrée à la conduite 32, et en sortie au réservoir 21 par l'intermédiaire d'une conduite 36 et d'un clapet anti-retour 37. Le clapet anti-retour 37 peut être commun pour tous les limiteurs de débit du circuit d'alimentation. Une conduite 38 de retour au réservoir 21 par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 39 est également reliée à l'injecteur 33. Une unité de commande électronique 40 est reliée par une ligne 41 à l'électrovanne 31, par une ligne 42 à la rampe d'injection 26 et par une ligne 52 au régulateur 27. L'unité de commande 40 est prévue pour piloter les temps d'ouverture et de fermeture de l'électrovanne 31. Ainsi, la pompe de gavage 22 alimente le circuit d'injection, par exemple avec du diméthyl-éther, sous une pression supérieure à 10 bars. La pompe à haute pression 24 comprime ensuite le fluide et vient gaver la rampe d'injection 26 formant un réservoir tampon. La pression dans la rampe d'injection 26 est stabilisée par le régulateur de pression 27 qui peut être soit piloté par l'unité de commande 40, soit taré à une pression fixe. Le tarage du limiteur de débit 35 est effectué de sorte qu'il soit fermé lorsque la pression dans la conduite 32 est proche de celle pilotant l'ouverture de l'injecteur 33 et ouvert si la pression est plus faible. Lorsque le moteur est en fonctionnement, la rampe d'injection 26 contient du carburant à haute pression, ce qui permet de maintenir la vanne automatique 29 ouverte quel que soit l'état de l'électrovanne 31. Au contraire, lorsque le moteur est arrêté, la rampe d'injection 26 contient du carburant sous une pression faible. Il s'ensuit que la vanne automatique 29 se ferme, ce qui empêche toute fuite de carburant de la rampe d'injection 26 vers les cylindres du moteur par l'intermédiaire de l'électrovanne 31 et de l'injecteur 33 qui est du type passif. Sur la figure 5, le circuit d'alimentation comprend des injecteurs pilotés 43 reliés par une ligne 44 à l'unité de commande 40. La conduite 32 est prévue directement entre la sortie de la vanne automatique 29 et l'injecteur 43. Le limiteur de débit est remplacé par une électrovanne de purge pilotée 45 reliée par une ligne 46 à l'unité de commande 40. Le fonctionnement de la vanne automatique 29 est analogue à celui de la variante précédente. La vanne automatique 29 est ouverte lorsque le moteur est en fonctionnement et fermée lorsque le moteur est à l'arrêt. L'électrovanne 45 permet de ramener la pression dans la conduite 32 à une valeur faible afin d'éviter les fuites de carburant par l'injecteur 43. La variante illustrée sur la figure 6 est proche de celle illustrée sur la figure 5, à ceci près que les électrovannes 45 prévues pour chaque injecteur 43 sont remplacées par une unique électrovanne de purge 47 reliée à une unité de commande 40 par une ligne 48 et disposée entre la conduite 25 et le réservoir 21 pour purger l'ensemble de la conduite 25, de la rampe d'injection 26 et des conduites 30. Les vannes automatiques 29 peuvent être rapprochées des injecteurs 43, ce qui permet de réduire le volume restant dans la conduite 32 et qui est susceptible de fuir par les injecteurs 43. La conduite 49 qui relie l'électrovanne 47 au réservoir 21 peut être pourvue d'un clapet anti-retour 50. La variante illustrée sur la figure 7 est proche de la précédente, à ceci près que les vannes automatiques 29 sont remplacées par une unique vanne automatique 51 disposée sur la conduite 25 entre la pompe à haute pression 24 et la rampe d'injection 26. L'électrovanne de purge 47 est alors disposée en aval de la vanne automatique 51 et les injecteurs 43 sont reliées directement à la rampe d'injection 26 par les conduites 30. Grâce à l'invention, on dispose d'une vanne automatique économique, fiable, non pilotée par une unité de commande et garantissant une excellente étanchéité lorsqu'elle est soumise à une pression inférieure à sa pression seuil. Cette vanne automatique peut s'adapter à différents types de circuit d'alimentation de moteur, dans différentes configurations et peut être utilisée avec tout type de carburant, avantageusement avec des carburants de type gazeux. 1! REVENDICATIONS 1. Dispositif de vanne automatique du type utilisé pour la fermeture d'un circuit d'injection de carburant pour moteur à combustion interne entre une sortie d'une pompe d'injection à haute pression et un injecteur, caractérisé par le fait qu'il comprend un organe rigide d'obturation (18) d'une conduite (3) en provenance de la pompe d'injection, et une membrane (15) reliée sur une face à l'organe d'obturation et en contact sur une autre face avec un fluide compressible, de façon qu'une pression d'injection supérieure à une pression prédéterminée provoque le déplacement de l'organe d'obturation et l'ouverture de la vanne et qu'une pression d'injection inférieure à une pression prédéterminée provoque le retour de l'organe d'obturation et la fermeture de la vanne. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'organe d'obturation comprend un premier clapet coopérant avec un siège (17) solidaire de la conduite en provenance de la pompe d'injection. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'organe d'obturation comprend un second clapet coopérant avec un siège solidaire de la conduite reliée à l'injecteur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la membrane est disposée dans une chambre dans laquelle débouchent la conduite en provenance de la pompe d'injection et la conduite reliée à l'injecteur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la membrane occupe l'ensemble du volume de la chambre, en position d'obturation. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé par le fait que la chambre est pourvue d'une ouverture dans laquelle est disposé un goulot de la membrane, le dit goulot étant muni d'un obturateur étanche (16) permettant le remplissage du fluide de commande. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le goulot de la membrane est collé sur une paroi de l'ouverture de la chambre. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la membrane est réalisée en caoutchouc ou en métal. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le fluide compressible est de l'air. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'à une pression d'injection inférieure à la pression prédéterminée la membrane n'est plus en contact avec le carburant. 11. Moteur à combustion interne comprenant au moins un dispositif de vanne selon l'une quelconque des revendications précédentes.