Brevet FR2804475A1 — publié le 20010803

"Dispositif d'injection de gaz naturel dans la chambre de combustion d'un cylindre" La présente invention concerne un dispositif d'injection de gaz naturel. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection de gaz naturel dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, du type comportant une chambre intermédiaire de stockage de gaz naturel qui est équipée d'un injecteur de gaz naturel qui est alimenté en gaz naturel par une conduite amont d'alimentation, et du type dans lequel la chambre intermédiaire communique avec la chambre de combustion du moteur par l'intermédiaire d'une soupape d'injection qui commande l'injection du gaz naturel dans la chambre de combustion. Le gaz naturel, grâce à ses propriétés qui en font un carburant propre, est de plus en plus utilisé en tant que carburant de substitution pour l'automobile. La technologie la plus employée actuellement, pour l'alimentation du moteur en carburant, est l'injection de gaz naturel dans les conduits d'admission. Cette technique engendre une perte de remplissage, donc de performance, car le gaz naturel prend un volume bien supérieur à celui de l'essence. L'injection directe de gaz naturel dans la chambre de combustion après la fermeture de la soupape d'admission est la solution la plus efficace pour éviter cette perte de performance. On connaît déjà des dispositifs d'injection directe de gaz naturel. Le document US-A-5.771.857 propose par exemple un système qui permet d'alimenter des injecteurs avec une pression qui varie en fonction de la charge du moteur. Avec ce système, il est nécessaire de disposer d'une injection haute pression lors d'un fonctionnement à forte charge. Si l'on utilise une injection haute pression sans compresseur additionnel, c'est la pression initiale dans le réservoir (environ 200 bars) qui constitue la source de haute pression. Par conséquent, la consommation du gaz naturel contenu dans le réservoir fait diminuer sa pression initiale et celle-ci descend rapidement en dessous de la pression d'injection. II faut alors remplir à nouveau le réservoir. Ce type de fonctionnement diminue donc la quantité de gaz naturel réellement exploitable ce qui est très pénalisant pour l'autonomie du véhicule. Par ailleurs, l'utilisation d'un compresseur additionnel comme source de haute pression pour une injection haute pression est pénalisante notamment en terme de coût et pour le rendement du moteur. Le document US-A-5.170.766 propose un dispositif d'injection directe qui est prévu initialement pour un fonctionnement avec de l'essence mais qui peut également être utilisé avec du gaz naturel pour de faibles charges. Ce dispositif d'injection directe comporte une chambre de mélange qui est équipée d'un injecteur pour le carburant et d'une arrivée (ou d'un injecteur) pour l'admission d'air. La chambre de mélange communique avec la chambre de combustion du moteur par l'intermédiaire d'une soupape. Ce dispositif d'injection directe pose un problème de dimensionnement lors d'un fonctionnement à forte charge. En effet, le volume de gaz naturel à injecter est important et l'injection doit être réalisée dans un temps assez court. Par conséquent, il est nécessaire de disposer d'une chambre de mélange d'un volume plus important pour un fonctionnement au gaz naturel que pour un fonctionnement à l'essence. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Dans ce but, l'invention propose un dispositif d'injection de gaz naturel du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre complémentaire contenant du gaz naturel qui est reliée à la chambre intermédiaire par un canal de liaison muni d'un clapet dont l'ouverture permet d'augmenter la quantité de gaz naturel stocké dans la chambre intermédiaire avant son injection dans la chambre de combustion. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - si le moteur est dans une phase de fonctionnement à faible charge, le clapet du canal de liaison est fermé pendant l'ouverture de la soupape d'injection, et si le moteur est dans une phase de fonctionnement à forte charge, le clapet est ouvert pendant l'ouverture de la soupape d'injection ; - le remplissage de la chambre complémentaire est réalisé par une conduite aval d'alimentation qui relie la conduite amont d'alimentation à la chambre complémentaire et qui comporte une vanne ; - si le moteur est dans une phase de fonctionnement à faible charge, la vanne de la conduite aval d'alimentation et le clapet du canal de liaison sont fermés, et si le moteur est dans une phase de fonctionnement à forte charge # pendant la fermeture de la soupape d'injection, la vanne de la conduite aval d'alimentation est ouverte et le clapet du canal de liaison est fermé ; et # pendant l'ouverture de la soupape d'injection, la vanne de la conduite aval d'alimentation est fermée et le clapet du canal de liaison est ouvert ; - la conduite amont d'alimentation est une rampe d'injection qui est équipée de capteurs de pression et de température en vue de déterminer la quantité de gaz naturel susceptible d'être introduite dans la chambre complémentaire par la conduite aval d'alimentation ; - lorsque l'on utilise la chambre complémentaire pour augmenter la quantité de gaz naturel stocké, l'injecteur de gaz naturel est piloté par une unité électronique de commande, de manière à introduire dans la chambre intermédiaire une quantité complémentaire de gaz naturel déterminée en fonction par exemple du régime du moteur ; - l'injecteur de gaz naturel est du type GNV . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale qui illustre un cylindre de moteur à combustion interne équipé d'un dispositif d'injection directe de gaz naturel réalisé conformément aux enseignements de l'invention ; et - la figure 2 est une vue similaire à la précédente qui représente une variante de réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre, pour faciliter la compréhension de l'invention, on la décrira dans le cadre d'un moteur comportant un seul cylindre, une seule soupape d'échappement et une seule soupape d'admission. On a représenté schématiquement à la figure 1 un cylindre 10 d'un moteur à combustion interne à quatre temps et dont la partie supérieure forme une chambre de combustion 12 délimitée par un piston mobile 14 et par une culasse 16. Le cylindre 10 est alimenté en air par un circuit d'admission 18 qui débouche dans la chambre de combustion 12 au travers d'une soupape d'admission 20 qui peut obturer ou non la communication entre le circuit d'admission 18 et la chambre de combustion 12. Un circuit d'échappement 22 est prévu pour l'évacuation des gaz brûlés hors de la chambre de combustion 12 au travers d'une soupape d'échappement 24 qui peut obturer ou non la communication entre la chambre de combustion 12 et le circuit d'échappement 22. Le cylindre 10 comporte une chambre intermédiaire 26 de stockage de gaz naturel qui débouche dans la chambre de combustion 12 au travers d'une soupape d'injection 28 qui peut obturer ou non la communication entre la chambre intermédiaire 26 et la chambre de combustion 12. La chambre intermédiaire 26 est équipée d'un injecteur 30 de gaz naturel volatil (GNV). Le système d'injection 30 de GNV peut être tout système développé pour l'injection indirecte de GNV, qu'il soit dérivé des technologies d'injection d'essence ou qu'il ait été développé spécifiquement pour le gaz naturel. L'injecteur 30 est alimenté en gaz naturel par une conduite amont 32 d'alimentation, ici une rampe d'injection, qui est reliée à un réservoir principal (non représenté) de stockage du gaz naturel. De préférence, l'injecteur 30 est piloté par une unité électronique de commande 34. L'unité électronique de commande 34 reçoit par exemple des signaux représentatifs de paramètres de fonctionnement du moteur tels que le régime du moteur, la pression atmosphérique, la pression dans le cylindre 10, le débit des gaz d'admission et/ou d'échappement, le couple instantané fourni, etc. L'unité électronique de commande 34 comporte notamment des moyens de mémorisation (non représentés) d'une ou plusieurs cartographies de fonctionnement du moteur. On note que le déplacement des soupapes d'admission 20, d'échappement 24 et d'injection 28 peut être commandé par tout moyen connu, par exemple par les cames d'arbres à cames ou par des actionneurs électromagnétiques pilotés par l'unité électronique de commande 34. Avantageusement, le déplacement de la soupape d'injection 28 est commandé par un actionneur électromagnétique 36 et piloté par l'unité électronique de commande 34. Conformément aux enseignements de l'invention, une chambre complémentaire 38 est reliée à la chambre intermédiaire 26 par un canal de liaison 40 muni d'un clapet 42. Le clapet 42 est piloté par l'unité électronique de commande 34. Selon le principe bien connu du cycle à quatre temps d'un moteur à combustion, celui-ci s'effectue en deux rotations du vilebrequin et en quatre courses du piston, les quatre temps du cycle étant l'admission, la compression, la combustion et l'échappement. On expliquera maintenant le fonctionnement du dispositif d'injection de gaz naturel selon l'invention. En phase de fonctionnement du moteur à faible charge, le clapet 42 est maintenu fermé pendant les quatre temps du cycle, de manière que le gaz naturel ne puisse être stocké, avant son injection dans 1a chambre de combustion 12, que dans la chambre intermédiaire 26. Avant l'admission du carburant dans la chambre de combustion 12, l'unité électronique de commande 34 maintient la soupape d'injection 28 en position fermée. Une quantité de gaz naturel dosée précisément est alors introduite dans la chambre intermédiaire par l'injecteur 30. En phase d'admission, après avoir laissé entrer une quantité d'air appropriée dans la chambre de combustion 12, la soupape d'admission 20 se ferme. Dès la fermeture de la soupape d'admission 20, la soupape d'injection 28 est ouverte et le gaz naturel pénètre dans la chambre de combustion 12. La soupape d'injection 28 se referme alors et l'unité électronique de commande 34 déclenche l'allumage du mélange carburé, composé d'air et de gaz naturel, au moyen par exemple d'une bougie d'allumage (non représentée). Après la combustion du mélange, la soupape d'échappement 24 s'ouvre pour permettre l'évacuation des gaz brûlés vers le circuit d'échappement 22. Le cycle reprend ensuite de la même façon. On note que la chambre intermédiaire 26 et la soupape d'injection 28 sont dimensionnées de façon à introduire la quantité de carburant nécessaire dans un temps suffisamment court. Le processus est similaire, lorsque le moteur fonctionne à faible charge, mais il est nécessaire d'introduire une plus grande quantité de gaz naturel dans la chambre de combustion 12. Pour cela, le clapet 42 est maintenu ouvert pendant les quatre temps du cycle, de manière que le gaz naturel soit stocké, avant son injection dans la chambre de combustion 12, à la fois dans la chambre intermédiaire 26 et dans la chambre complémentaire 38. L'ouverture du clapet 42 permet donc d'augmenter le volume de stockage de gaz naturel avant l'injection. La soupape d'injection 28 étant fermée, la chambre intermédiaire 26 et la chambre complémentaire 38 sont alimentées précisément en gaz naturel par l'injecteur 30. Dès la fermeture de la soupape d'admission 20, la soupape d'injection 28 est ouverte et le gaz naturel, qui est stocké dans la chambre intermédiaire 26 et dans la chambre complémentaire 38, est introduit dans la chambre de combustion 12. Le fonctionnement continue alors de manière similaire au fonctionnement à faible charge expliqué précédemment. On note que la chambre complémentaire 38 et le canal de liaison 40 sont dimensionnés de façon à permettre, avec la chambre intermédiaire 26, l'injection dans la chambre de combustion 12 de la quantité de gaz naturel nécessaire à la bonne marche du moteur dans une plage de fonctionnement allant des charges partielles aux fortes charges, et ceci dans un temps suffisamment court. Ce mode de réalisation autorise une autonomie du véhicule plus importante que celle qui serait obtenue avec une injection directe haute pression. En effet, la pression de gaz naturel nécessaire à ce dispositif d'injection directe étant beaucoup plus faible qu'avec un dispositif à haute pression, la capacité de stockage des réservoirs de gaz naturel comprimé est beaucoup mieux exploitée. Ce dispositif d'injection directe de gaz naturel n'a pas besoin de compresseur additionnel, comme ce serait le cas pour un dispositif à haute pression en vue d'augmenter l'autonomie du véhicule. Cependant, pour des raisons techniques, le débit maximal des injecteurs 30 du type GNV disponibles actuellement est limité. Dans le cas d'une injection directe du gaz naturel par un injecteur dans la chambre de combustion 12, cette limitation du débit est compensée par la possibilité d'augmenter fortement le temps d'injection tout en restant en débit sonique. En effet, le temps d'injection peut dans ce cas être étendu jusqu'à celui correspondant à deux tours de vilebrequin. Le fait d'injecter au préalable le gaz naturel dans la chambre intermédiaire 26 et d'alimenter aussi la chambre complémentaire 38 est plus contraignant. Ce dispositif d'injection nécessite un débit plus important de l'injecteur 30 car le temps d'injection maximal correspond à deux tours de vilebrequin diminué du temps d'ouverture de la soupape d'injection 28. De plus, la pression critique, c'est à dire la pression en aval de l'injecteur 30 au-delà de laquelle le débit est subsonique, étant atteinte rapidement dans les chambres intermédiaire 26 et complémentaire 38, le débit moyen est plus faible et le temps d'injection plus long. Par conséquent, l'utilisation des injecteurs 30 du type GNV actuellement disponibles nécessite de limiter la quantité de gaz naturel à injecter. On décrira maintenant une variante de réalisation de l'invention, en référence à la figure 2, qui vise notamment à remédier à l'inconvénient mentionné ci-dessus. Dans la suite de la description on ne décrira que les éléments qui diffèrent par rapport au mode de réalisation de la figure 1. Selon la variante de réalisation, on remplit la chambre complémentaire 38 non pas au moyen de l'injecteur 30 qui équipe la chambre intermédiaire 26 mais au moyen d'une conduite aval 44 d'alimentation qui relie directement la rampe d'injection 32 à la chambre complémentaire 38. La conduite aval 44 d'alimentation comporte une vanne 46. La rampe d'injection 32 est équipée ici de capteurs de pression 48 et de température 50, en vue de déterminer la quantité de gaz naturel qui remplit la chambre complémentaire 38 lorsque le clapet 42 est fermé et la vanne 46 est ouverte. En phase de fonctionnement du moteur à faible charge, le dispositif d'injection directe fonctionne de manière similaire à celui de la figure 1, le clapet 42 étant fermé. En phase de fonctionnement du moteur à forte charge, le processus d'injection de gaz naturel se décompose en différentes phases au cours d'un cycle. Dès que la soupape d'injection 28 se ferme, l'unité électronique 34 commande la fermeture du clapet 42 et l'ouverture de la vanne 46. La chambre complémentaire 38 est alors mise en communication avec la rampe d'injection 32 par la conduite aval d'alimentation 44. La chambre complémentaire 38 se remplit d'une quantité de gaz naturel qui est connue grâce aux capteurs de pression 48 et de température 50. Pendant le remplissage de la chambre complémentaire 38, l'injecteur 30 introduit de façon précise dans la chambre intermédiaire 26 le complément de gaz naturel nécessaire au bon fonctionnement du moteur. Ensuite, la vanne 46 est fermée et le clapet 42 est ouvert, ce qui met la chambre complémentaire 38 en communication avec la chambre intermédiaire 26. Dès la fermeture de la soupape d'admission 20, la soupape d'injection 28 s'ouvre et le gaz naturel stocké dans la chambre intermédiaire 26 et dans la chambre complémentaire 38 pénètre dans la chambre de combustion 12. Le fonctionnement du moteur se poursuit comme on l'a expliqué précédemment, la chambre complémentaire 38 étant de nouveau mise en communication avec la rampe d'injection 32 dès la fermeture de la soupape d'injection 28. On note que, dans cette variante de réalisation, le fonctionnement optimal du dispositif d'injection de gaz naturel nécessite que le clapet 42 et la vanne 46 soient capables de s'ouvrir et de se refermer très rapidement, par exemple en quelques millisecondes. Les principes mis en ceuvre dans le cadre du procédé selon l'invention, qui ont été expliqués en considérant un seul cylindre comportant lui-même une seule soupape d'admission et une seule soupape d'échappement, s'appliquent bien entendu à un moteur à plusieurs cylindres dont chacun comporte le cas échéant plusieurs soupapes d'admission et plusieurs soupapes d'échappement. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection de gaz naturel dans une chambre de combustion (12) d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, du type comportant une chambre intermédiaire (26) de stockage de gaz naturel qui est équipée d'un injecteur (30) de gaz naturel qui est alimenté en gaz naturel par une conduite amont (32) d'alimentation, et du type dans lequel la chambre intermédiaire (26) communique avec la chambre de combustion (12) du moteur par l'intermédiaire d'une soupape d'injection (28) qui commande l'injection du gaz naturel dans la chambre de combustion (12), caractérisé en ce qu'il comporte une chambre complémen taire (38) contenant du gaz naturel qui est reliée à la chambre intermédiaire (26) par un canal de liaison (40) muni d'un clapet (42) dont l'ouverture permet d'augmenter la quantité de gaz naturel stocké dans la chambre intermédiaire (26) avant son injection dans la chambre de combustion (12). 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, si le moteur est dans une phase de fonctionnement à faible charge, le clapet (42) du canal de liaison (40) est fermé pendant l'ouverture de la soupape d'injection (28), et si le moteur est dans une phase de fonctionnement à forte charge, le clapet (42) est ouvert pendant l'ouverture de la soupape d'injection (28). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le remplissage de la chambre complémentaire (38) est réalisé par une conduite aval (44) d'alimentation qui relie la conduite amont (32) d'alimentation à la chambre complémentaire (38) et qui comporte une vanne (46). 4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, si le moteur est dans une phase de fonctionnement à faible charge, la vanne (46) de la conduite aval (44) d'alimen tation et le clapet (42) du canal de liaison (40) sont fermés, et si le moteur est dans une phase de fonctionnement à forte charge - pendant la fermeture de la soupape d'injection (28), la vanne (46) de la conduite aval (44) d'alimentation est ouverte et le clapet (42) du canal de liaison (40) est fermé ; et - pendant l'ouverture de la soupape d'injection (28), la vanne (46) de la conduite aval (44) d'alimentation est fermée et le clapet (42) du canal de liaison (40) est ouvert. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la conduite amont (32) d'alimentation est une rampe d'injection qui est équipée de capteurs de pression (48) et de température (50) en vue de déterminer la quantité de gaz naturel susceptible d'être introduite dans la chambre complémentaire (38) par la conduite aval (44) d'alimentation. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lorsque l'on utilise la chambre complémentaire (38) pour augmenter la quantité de gaz naturel stocké, l'injecteur (30) de gaz naturel est piloté par une unité électronique de commande (34), de manière à introduire dans la chambre intermédiaire (26) une quantité complémentaire de gaz naturel déterminée en fonction par exemple du régime du moteur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur (30) de gaz naturel est du type GNV .