Brevet FR2814779A1 — publié le 20020405

Pompe à essence électrique à membrane. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne une pompe à essence électrique du type à membrane, principalement destinée aux faibles débits et aux pressions comprises entre 4 et 6 bars. Cette pompe a été conçue pour répondre aux besoins d'alimentation en essence des moteurs deux temps 50 cc de la nouvelle génération. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Comme on le sait, ces moteurs ont deux défauts majeurs, à savoir une grande consommation et des émissions polluantes excessives. Afin de pallier ces défauts, les nouvelles générations de moteurs deux temps utilisent un système d'injection directe d'essence dans le cylindre au moment où les lumières d'échappement sont fermées. De cette manière, il n'y a plus de fuite de mélange carburé à l'échappement et les émissions d'hydrocarbures ainsi que la consommation sont nettement diminuées. Toutefois, ce type d'injection nécessite que la pompe à essence ait un débit adapté au moteur et fonctionne à une pression d'environ 6 bars. Mais, compte tenu de la faible disponibilité en énergie électrique sur les véhicules à deux roues qui utilisent ces moteurs, le rendement de cette pompe doit nécessairement être supérieur aux pompes classiques utilisées en automobile, telles que les pompes à gérotor (engrenages internes à profils conjugués), les pompes à turbine et les pompes à canaux latéraux annulaires. En effet, en raison des faibles dimensions des organes de la pompe et de la très faible viscosité de l'essence, les pertes par fuite hydraulique dans ces types de pompes connues seraient prépondérantes, ou alors, si on veut les éliminer, il faudrait que les tolérances de fabrication soient très serrées, ce qui est peu compatible avec l'industrialisation en grande série. De plus, les pompes électriques connues à pièce tournante imposent au moteur de la pompe de fonctionner immergé dans l'essence car lorsqu'il y a un axe en rotation, l'étanchéité parfaite n'est pas possible. Mais ce type de fonctionnement pose plusieurs problèmes : - le rendement du moteur de la pompe est affecté par les pertes hydrodynamiques lors de la rotation, surtout à haute vitesse de rotation (pompe à turbine), - l'éventuelle présence de bulles d'air dans la pompe en fonctionnement, donc en présence d'essence et d'étincelles électriques, fait courir le risque d'explosion, - les pompes à gérotor, les pompes à turbine et éventuellement les pompes à piston sont sensibles à la présence d'impuretés dans l'essence, lesquelles risquent de bloquer la pompe, causant ainsi l'échauffement excessif du moteur de la pompe, voire sa destruction, - la pompe à turbine et la pompe à gérotor ont un pouvoir d'aspiration très faible, la première pouvant même se désamorcer en cas de mauvaise alimentation en essence, lors d'une panne d'essence. C'est d'ailleurs pour cette raison que ces deux types de pompe sont en général immergées. RESUME DE L'INVENTION L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant une pompe à essence électrique à faible débit, haute pression et dépourvue de pertes hydrauliques de manière à avoir un bon rendement. L'invention concerne également une pompe à essence électrique du type susmentionné, dont le mécanisme d'entraînement est adapté pour un faible encombrement afin que la pompe puisse être entraînée par un moteur à faible puissance, par exemple par un moteur de véhicule à deux roues sur lequel l'énergie électrique disponible est relativement faible. Pour obtenir ces avantages, l'invention propose une pompe à essence électrique du type à membrane, utilisable notamment sur un véhicule à deux roues, caractérisée en ce qu'elle comprend une enveloppe tubulaire qui contient : - un bloc moteur électrique, - un corps tubulaire de guidage de même axe que l'enveloppe et dans lequel sont montés un piston et un mécanisme d'entraînement destiné à transformer le mouvement rotatif du moteur en un mouvement axial alternatif du piston, - un bloc hydraulique comprenant un passage d'aspiration relié au réservoir d'essence du véhicule et un passage de refoulement relié au (x) cylindre (s) du moteur du véhicule, lesdits passages communiquant, par l'intermédiaire de deux clapets anti-retour montés en opposition, avec une chambre de travail formée sur la face intérieure du bloc hydraulique, - et une membrane dont le bord périphérique est serré entre le bloc hydraulique et le corps de guidage et dont la portion centrale de la membrane qui se trouve en regard de la chambre de travail est fixée sur le piston de manière à être entraînée en mouvement axial alternatif avec celui-ci. Le mécanisme d'entraînement du piston peut être réalisé de différentes façons. Selon un mode de réalisation avantageux, il comprend une came à excentrique cylindrique qui est entraînée en rotation à partir de l'arbre du moteur électrique par l'intermédiaire d'un réducteur destiné à adapter la vitesse de rotation du moteur à la fréquence du mouvement du piston pour obtenir un débit prédéterminé, ladite came à excentrique cylindrique ayant un double contact avec le piston de manière que, lorsqu'elle accomplit un tour, elle entraîne le piston pour qu'il effectue un aller et un retour dans le corps de guidage. Ainsi, le piston est poussé par la came pendant le refoulement et il est tiré pendant l'aspiration. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un ressort pour rappeler le piston à sa position rétractée pendant la phase d'aspiration comme c'est le cas dans les pompes à membrane classiques. Ceci représente un progrès notable par rapport à la technique antérieure, car l'utilisation d'un tel ressort présente plusieurs inconvénients : ainsi, aux fréquences élevées de déplacement du piston, le ressort risque de ne pas pouvoir suivre la came. De plus, l'utilisation d'un ressort conduit à obtenir un couple moteur irrégulier puisque, pendant la phase de compression, l'action du ressort s'ajoute à celle exercée par la came excentrique, tandis que pendant la phase d'aspiration, seul le ressort agit. Le moteur ne travaille donc pas pendant la phase d'aspiration. Au contraire, le système piston-came à double contact permet d'assurer un mouvement en translation parfait du piston. De plus, ce système évite toute torsion de la membrane et permet l'utilisation d'une membrane-assiette préformée. La membrane sert à la fois au pompage et à assurer l'étanchéité du bloc moteur et du mécanisme d'entraînement. Puisque l'essence ne traverse pas le mécanisme d'entraînement, les pertes de charge sont très faibles, ce qui augmente le rendement. Avantageusement, la pompe selon l'invention comporte un ressort qui est mis en compression par le piston lors de l'aspiration. Ce ressort permet de limiter les variations du couple propres au mécanisme. En effet, lorsque la membrane est en refoulement, une forte pression sur le piston est nécessaire et lorsqu'elle est en aspiration, la force à exercer sur le piston est bien plus faible. Grâce à ce ressort, de l'énergie est accumulée pendant la phase d'aspiration et restituée pendant la phase de refoulement. Ce ressort sert donc d'accumulateur et de régulation d'énergie. Il est important de noter que ce ressort n'a rien à voir avec le ressort de rappel qui se détend lors de l'aspiration, tel qu'il est habituellement utilisé dans la technique antérieure comme décrit précédemment. Avantageusement, le réducteur est entraîné par l'intermédiaire d'un engrenage à pignons coniques, lequel ramène l'axe d'action du moteur dans l'axe de l'enveloppe et rend ainsi la pompe compacte et facilement intégrable dans l'enveloppe cylindrique. Si l'on utilisait un engrenage à pignons droits, la pompe formerait un coude et aurait un encombrement important. Le réducteur peut être formé de pignons droits de diamètres différents, le pignon de petit diamètre étant porté par l'arbre du pignon conique de sortie et le pignon de grand diamètre étant porté par l'arbre de la came. Toutefois, il est possible d'éliminer les deux pignons droits du réducteur et de faire jouer le rôle de réducteur par les pignons coniques en choisissant deux pignons coniques de diamètres différents présentant le rapport de réduction souhaité. Grâce au réducteur, la vitesse de rotation du moteur peut être adaptée à son point nominal de meilleur rendement en fonction du taux de réduction et de la fréquence d'oscillation du piston. Cette fréquence d'oscillation devra tenir compte des risques de cavitation et du débit nécessaire. Par exemple, pour un moteur tournant à une vitesse nominale de 4000 tours/mn et un entraînement mécanique du piston de 900 cycles/minute, le taux de réduction devra être de 4. Selon l'invention, on peut inclure dans la partie hydraulique de la pompe un régulateur de pression ou un atténuateur de variation de pression. On notera que la membrane, en plus d'assurer l'étanchéité, a également pour rôle d'augmenter le rendement de la pompe ainsi que le pouvoir d'aspiration. De ce fait, la pompe peut être disposée en ligne et ne doit pas forcément être immergée dans le réservoir d'essence. La pompe selon l'invention tolère la présence d'air dans le circuit hydraulique ainsi que la présence de particules et d'impuretés dans le fluide pompé. Il en résulte qu'aucune pièce de la pompe ne nécessite des tolérances serrées. De plus, l'utilisation de matière plastique peut se faire largement, ce qui diminue fortement le prix de revient de la pompe. Contrairement aux pompes à turbine, aux pompes à gérotor et à piston dans lesquelles le débit dépend de la viscosité du fluide, la pompe selon l'invention n'utilise pas les propriétés visqueuses du fluide. Ses caractéristiques techniques ne seront donc pas affectées par les variations de température qui, comme on le sait, influent sur la viscosité du fluide. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES. Un mode de réalisation non limitatif de l'invention sera décrit à présent en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un exemple de réalisation de la pompe selon l'invention, pendant la phase d'aspiration ; la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 : la figure 3 est une vue en perspective du corps de guidage de piston ; la figure 4 est une vue en perspective du piston et de la came à excentrique cylindrique ; et les figures 5 et 6 sont des vues partielles en coupe longitudinale et à plus grande échelle montrant la position du piston et de la came à excentrique cylindrique, respectivement pendant la phase d'aspiration et pendant la phase de refoulement. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE. Avec référence aux figures 1 à 3, la pompe à essence électrique 10 comprend une enveloppe tubulaire 12 destinée à recevoir les différents éléments de la pompe. A une extrémité de l'enveloppe est logé un bloc moteur électrique 14 qui est alimenté en courant à partir de l'alimentation du véhicule, par l'intermédiaire de conducteurs 16. Le bloc moteur est coiffé à une extrémité par un capot en matière isolante 18, à travers lequel passent les conducteurs. A la suite du bloc moteur, un corps de guidage 20 est inséré dans l'enveloppe. Comme le montre plus clairement la figure 3, le corps de guidage peut être formé de deux coquilles 22,24 assemblées le long d'un plan méridien. Le corps de guidage comprend une partie centrale 26 de section rectangulaire et deux portions d'extrémité cylindriques 28, 30 de diamètre extérieur évasé. La portion d'extrémité du corps de guidage qui est voisine du bloc moteur comporte une bride périphérique 32 qui s'emboîte sur ce dernier. A l'intérieur de la partie centrale 26 sont montés un piston 34 et un train d'engrenages comprenant un premier pignon conique 36 fixé sur l'arbre 37 du moteur, un second pignon conique 38 fixé sur un arbre 40 perpendiculaire à l'arbre 37 et dont les extrémités tourillonnent dans deux orifices diamétralement opposés 42,44 formés sur les deux coquilles 22,24 et deux pignons droits 46,48 formant un réducteur. Le petit pignon droit 46 de ce réducteur est fixé sur l'axe 40 du pignon conique 38. L'arbre 50 du grand pignon droit 48 est parallèle à l'axe 40 et tourillonne dans deux autres orifices diamétralement opposés 52,54 formés sur les coquilles 22,24. Sur l'arbre 50 du grand pignon droit est formée une came cylindrique 56 dont l'axe est parallèle audit arbre et est excentré par rapport à celui-ci d'une distance prédéterminée. Comme le montrent clairement les figures 5 et 6, la came 56 est reçue dans un évidement oblong 58 formé à travers le piston 34. Le petit axe de l'évidement est orienté dans le sens longitudinal du piston et a une longueur sensiblement égale au diamètre de la came, de sorte que, quelle que soit la position angulaire de la came autour de l'axe de rotation de l'arbre 50, la came présentera toujours deux contacts diamétralement opposés A et B avec la paroi de l'évidement. Pour cette raison, la came est dite à double contact. On expliquera le fonctionnement du système camepiston par la suite. Sur la face d'extrémité du piston 34 située à droite sur la figure 1 est fixée la partie centrale d'une membrane-assiette 60 dont le bord périphérique est fortement serré entre le corps de guidage et un bloc hydraulique 62 qui est inséré dans l'autre extrémité de l'enveloppe 12, de sorte que la portion centrale de la membrane est solidaire en mouvement avec le piston. Le bloc hydraulique présente un passage d'aspiration 68 (figure 4) relié au réservoir d'essence du véhicule, et un passage de refoulement 70 relié aux cylindres du véhicule. Lesdits passages communiquent, par l'intermédiaire de deux clapets anti-retour 72,74 montés en opposition, avec une chambre de travail 76 formée sur la face intérieure du bloc hydraulique, en regard de la partie centrale de la membrane. Les clapets 72,74 sont appliqués contre leur siège respectif par des ressorts de rappel 77,78. Le piston présente à son extrémité qui est tournée vers les pignons coniques 36,38 une cavité axiale 63 (figure 4) dans laquelle est logé un ressort hélicoïdal 64 dont les extrémités prennent appui sur le fond de la cavité et sur une paroi d'appui 66 solidaire d'une des coquilles. Tous les éléments de la pompe sont maintenus à l'état assemblé et serré en sertissant l'enveloppe tubulaire 12 à ses extrémités sur le capot 18, le bloc moteur 14 et le corps hydraulique 62. L'étanchéité entre le corps hydraulique 62 et le mécanisme d'entraînement de membrane est assuré par la membrane 60 ainsi que par un premier joint annulaire 80 fixé sur la face du bloc hydraulique qui est appliquée sur la membrane et par un second et un troisième joints annulaires 82,84 fixés respectivement sur la paroi cylindrique du bloc hydraulique et du corps de guidage. A l'autre extrémité de la pompe, un joint annulaire 86 assure l'étanchéité avec le milieu extérieur, qui peut être le réservoir ou l'air si la pompe est en ligne. On décrira à présent un cycle de fonctionnement de la pompe : lorsque le moteur 14 est alimenté en courant, son arbre 37 entraîne l'engrenage à pignons coniques 36,38, lequel entraîne à son tour le réducteur 46,48. A l'aspiration, la pompe se trouve dans l'état représenté aux figures 1,2 et 5. Comme le montre plus clairement la figure 5, la came 56 est positionnée de manière que la ligne des centres 88 qui joint les centres 90,92 de l'arbre 50 et de la came est confondue avec le petit axe de l'évidement oblong 58 et que le point de contact A situé à gauche sur la figure 5 est à une distance maximale d de l'axe de l'arbre 50. Il en résulte que la came 56 rétracte le piston 34 vers la gauche sur la figure 5 pour l'amener en butée contre la paroi d'appui 66, en comprimant le ressort 64. Dans ce mouvement, le piston entraîne vers la gauche la membrane 60. Il se produit alors une dépression dans la chambre de travail 76 et donc une aspiration de l'essence du réservoir, par l'intermédiaire du passage d'aspiration 68. Une dose d'essence pénètre dans la chambre de travail à travers le clapet 72 qui est décollé de son siège en comprimant le ressort 77. L'autre clapet 74 reste appliqué sur son siège par le ressort 78. Lorsque la came 56 a été entraînée d'un demi-tour, elle prend une position symétrique de celle qu'elle a sur la figure 5 par rapport à l'axe de l'arbre 50 et vient dans la position montrée à la figure 6. Cette fois, le point de contact entre la came et le piston qui est à la distance maximale d de l'axe de l'arbre 50 est le point B. Il en résulte que la came repousse le piston vers la droite sur les figures 1 et 2 et le place donc dans la position qu'il a sur la figure 6. La course du piston est égale au double de la distance des centres 90,92. Dans ce mouvement, le piston repousse la membrane, laquelle refoule le dose d'essence qui est dans la chambre de travail vers le passage de refoulement 70, à travers le clapet 74. Ce mouvement du piston est aidé par le ressort 64 qui se détend. Au demi-tour suivant, la came ramène le piston 34 à sa position initiale représentée sur la figure 1. Le fonctionnement se poursuit ainsi, à raison d'un va-et-vient du piston pour un tour de la came. Afin d'optimiser le rendement, le piston et le came peuvent être fabriqués en matériaux respectifs dont le coefficient de frottement entre eux est très faible. Par exemple, l'un d'eux peut être réalisé en une résine acétal et l'autre en une résine polyamide. L'invention n'est pas limitée au pompage de l'essence, mais elle peut s'étendre au pompage de tout fluide, avec des débits et des pressions différents de ceux indiqués précédemment. REVENDICATIONS 1. Pompe à essence électrique du type à membrane, utilisable notamment sur un véhicule à deux roues, caractérisée en ce qu'elle comprend une enveloppe tubulaire (12) qui contient : - un bloc moteur électrique (14), - un corps tubulaire de guidage (20) de même axe que l'enveloppe et dans lequel sont montés un piston (34) et un mécanisme d'entraînement (36,38, 46,48) destiné à transformer le mouvement rotatif du moteur en un mouvement axial alternatif du piston, - un bloc hydraulique (62) comprenant un passage d'aspiration (68) relié au réservoir d'essence du véhicule et un passage de refoulement (70) relié au (x) cylindre (s) du moteur du véhicule, lesdits passages communiquant, par l'intermédiaire de deux clapets anti-retour (72,74) montés en opposition, avec une chambre de travail (76) formée sur la face intérieure du bloc hydraulique, - et une membrane (60) dont le bord périphérique est serré entre le bloc hydraulique (62) et le corps de guidage (20) et dont la portion centrale de la membrane qui se trouve en regard de la chambre de travail est fixée sur le piston (34) de manière à être entraînée en mouvement axial alternatif avec celui-ci. 2. Pompe à essence électrique à membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mécanisme d'entraînement du piston comprend une came à excentrique cylindrique (56) qui est entraînée en rotation à partir de l'arbre du moteur électrique (14) par l'intermédiaire d'un réducteur (46,48) destiné à adapter la vitesse de rotation du moteur à la fréquence du mouvement du piston pour obtenir un débit prédéterminé, ladite came à excentrique cylindrique ayant un double contact (A, B) avec le piston (34) de manière que, lorsqu'elle accomplit un tour, elle entraîne le piston pour qu'il effectue un aller et un retour dans le corps de guidage. 3. Pompe à essence électrique à membrane selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit réducteur comprend un petit pignon droit (46) qui reçoit le mouvement du bloc moteur et un grand pignon droit (48) qui engrène avec le petit pignon, ces deux pignons présentant un rapport de réduction choisi pour obtenir le débit souhaité. 4. Pompe à essence électrique à membrane selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le mécanisme d'entraînement comprend également un premier pignon conique (36) calé sur l'arbre (37) du moteur et un second pignon conique (38) dont l'arbre (40) est perpendiculaire à l'arbre (37) du moteur, ledit petit pignon droit (46) étant fixé sur l'arbre (40) du second pignon conique et ledit grand pignon droit (48) étant fixé sur l'arbre (50) de la came à excentrique cylindrique, les arbres (40,50) du second pignon et du grand pignon droit étant parallèles et étant montés tourillonnants dans la paroi du corps de guidage (20). 5. Pompe à essence électrique à membrane selon l'une des revendications 2 et 4, caractérisée en ce que le réducteur est constitué par deux pignons coniques (36,38) de diamètres différents, les deux pignons droits (46,48) pouvant alors être éliminés. 6. Pompe à essence électrique à membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un ressort (64) qui est mis en compression par le piston (34) lors de l'aspiration. 7. Pompe à essence électrique à membrane selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans la partie hydraulique de la pompe est inclus un régulateur de pression ou un atténuateur de variation de pression. 8. Pompe à essence électrique à membrane selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le corps de guidage est formé de deux coquilles (22,24) assemblées le long d'un plan méridien.