Brevet FR2842257A1 — publié le 20040116

La présente invention se rapporte à un dispositif et à une méthode pour l'injection d'un carburant liquide dans un moteur à combustion interne. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif d'injection sous forme liquide d'un carburant présentant, à la pression atmosphérique, un point d'ébullition inférieur à la température ambiante. Cette injection peut être effectuée directement dans les cylindres du moteur, dénommée injection directe, ou dans une conduite d'admission du moteur, plus communément appelée injection indirecte. Le carburant peut être, par exemple du GPL, du dimethylether, de l'éthylal, du méthylal ou du diéthyléther, ou des mélanges de ces carburants. La qualité du démarrage d'un tel moteur est conditionnée par la capacité de son dispositif d'injection à injecter le carburant sous forme liquide dès que l'injection est commandée. Il a pu être constaté que la présence incontrôlée de ce carburant sous forme gazeuse dans certains conduits du dispositif, tels que dans la rampe d'injection, ne permet pas de contrôler efficacement la quantité massique de carburant nécessaire au fonctionnement du moteur. Ceci entraîne des dysfonctionnements du moteur suite à une combustion inappropriée du mélange carburé dans les cylindres de ce moteur. Il a pu être également constaté que le fort écart de pression entre l'amont et l'aval de l'injecteur provoque une fuite de carburant au niveau des injecteurs lorsque le moteur est arrêté. Cette fuite a pour conséquence, dans le cas d'une injection indirecte, de remplir le répartiteur d'admission de carburant gazeux, ce qui est à l'origine de problèmes de démarrage du moteur. En effet, la quantité de carburant gazeux présent dans le répartiteur d'admission ne peut pas être prise en compte par le calculateur du moteur et perturbe le démarrage. De plus, une telle présence de carburant gazeux est également à l'origine de retour de flamme dans le répartiteur d'admission et de fortes pollutions au démarrage. Pour remédier à ces problèmes de fuites et de présence de carburant en phase gazeuse, la demande de brevet EP-A1-1 036 935 propose d'isoler le système d'alimentation comprenant les injecteurs et de purger le carburant liquide vers un système de stockage approprié. Ce mode de fonctionnement nécessite donc la présence d'un circuit et d'un réservoir supplémentaire de carburant qui tend à augmenter de façon sensible le cot du dispositif. Il est également connu par le document EP-A1-1 010 886 un dispositif d'injection de carburant gazeux sous forme liquide qui comprend, pour éviter la présence de carburant gazeux dans la rampe et les fuites, un circuit en dérivation par lequel est purgé le carburant vers le réservoir, lors de l'arrêt du moteur. Ce dispositif nécessite également la présence d'un circuit supplémentaire de carburant qui rend ce dispositif complexe et coteux. Ainsi, le but de l'invention est de fournir un dispositif d'injection d'un carburant sous forme liquide dans un moteur à combustion interne permettant de pallier les inconvénients ci-dessus évoqués et en particulier d'éviter ou de minimiser l'injection du carburant en phase vapeur, notamment lors du démarrage à chaud du moteur, et ce de manière simple, efficace et peu coteuse. La présente invention concerne un dispositif d'injection d'un carburant liquide dans un moteur à combustion interne présentant, à la pression ambiante, un point d'ébullition inférieur à la température ambiante, ledit dispositif comprenant un circuit comportant un réservoir, une pompe, une rampe d'alimentation reliée à des injecteurs par des canaux contrôlés par des moyens d'isolation connectés à un tube de retour du carburant vers le réservoir, caractérisé en ce que les moyens d'isolation comportent des moyens de fuite du carburant entre ladite rampe et ledit tube. Avantageusement, les moyens d'isolation peuvent être un clapet comportant une première chambre reliée au tube de retour et une seconde chambre reliée à la rampe, dans lesquels les moyens de fuite peuvent être entre lesdites chambres. Les moyens de fuite peuvent être prévus au travers d'un piston coulissant délimitant lesdites chambres. Les moyens de fuite peuvent également être prévus au travers d'une membrane souple délimitant lesdites chambres. Préférentiellement, les moyens de fuite peuvent être un orifice calibré. L'orifice calibré peut être un détendeur du carburant lors d'une différence de pression entre les chambres. L'invention concerne aussi une méthode d'injection d'un carburant liquide dans un moteur à combustion interne présentant, à la pression ambiante, un point d'ébullition inférieur à la température ambiante, ladite méthode utilisant un circuit comportant un réservoir, une pompe, une rampe d'alimentation reliée à des injecteurs par des canaux contrôlés par des moyens d'isolation connectés à un tube de retour du carburant vers le réservoir, caractérisée en ce que l'on établit, en fonctionnement, une fuite de carburant dans les moyens d'isolation entre ladite rampe et ledit tube. On peut également détendre le carburant dans les moyens d'isolation pour assurer le refroidissement de carburant. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées des figures, parmi lesquelles: - La figure 1 montre un schéma général du circuit d'un dispositif d'injection selon l'invention; - Les figures 2a et 2b montrent en détail un bloc injecteur-clapet d'isolation utilisé dans la figure 1; et - La figure 3 est une variante du bloc injecteur-clapet d'isolation des figures 2a et 2b. En se reportant à la figure 1, le dispositif d'injection comprend un réservoir 10 étanche dans lequel est stocké, sous une pression Pr, un carburant présentant, à la pression atmosphérique, un point d'ébullition inférieur à la température ambiante. Dans la suite de la description et à titre de simplification non limitative, on utilisera le carburant GPL sous forme liquide qui est stocké dans le réservoir sous une pression de l'ordre de 0,8 MPa. Ce carburant est injecté dans le collecteur d'admission (non représenté) vers les cylindres du moteur (également non représentés) par des injecteurs 12. Ces injecteurs sont d'un type connu et classiquement utilisés pour une injection liquide d'essence. Sous l'action d'une pompe 14, le carburant GPL est transporté du réservoir 10 jusqu'à une rampe d'injection 16 par l'intermédiaire d'un conduit 18 prévu entre le réservoir et la pompe et d'un autre conduit 20 entre la pompe et la rampe d'injection. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, la pompe 14 peut être logée dans le réservoir et un seul conduit relie le réservoir et la rampe. Le carburant GPL, qui n'a pas été injecté vers les cylindres du moteur, est réintégré dans le réservoir 10 par un conduit de retour 22. Ce conduit de retour est relié à un tube 24 qui, associé à la rampe 16, permet l'ouverture ou la fermeture d'un canal de passage entre la rampe et les injecteurs grâce à un moyen d'isolation 26. Chaque canal, qui sera plus précisément décrit dans la suite de la description, permet d'alimenter en carburant chaque injecteur 12. En se rapportant aux figures 2a et 2b, le moyen d'isolation 26, le canal de passage vers l'injecteur et l'injecteur 12 sont sous la forme d'un bloc injecteur-clapet d'isolation 28. Ce bloc comprend un injecteur 12 de technologie identique à celle habituellement utilisée pour une injection liquide essence, un clapet d'isolation 26 et un canal de passage 30 entre le clapet et l'injecteur. Le clapet 26 comprend une chemise 32 à l'intérieur de laquelle coulisse un piston d'étanchéité 34 muni d'une tige de piston 36. Cet ensemble piston et tige de piston délimite avec le cylindre une chambre supérieure 38 comprise entre la face supérieure du piston 34 et la paroi de fond supérieure de la chemise 32, une chambre intermédiaire 40 délimitée par la face inférieure du piston 34 et la paroi de fond inférieure de la chemise et une chambre inférieure 42 qui communique, par une ouverture prévue dans la paroi de fond inférieure de la chemise, avec la chambre intermédiaire 40 et qui est reliée à l'injecteur 12. La tige de piston 36 porte des moyens d'étanchéité 44, tel qu'un joint annulaire entourant cette tige, qui permettent, comme montré à la figure 2a, d'isoler la chambre intermédiaire et la chambre inférieure lorsque ce joint est en appui sur son siège prévu dans l'ouverture de la paroi de fond inférieure de la chemise 32. La chambre supérieure 38 est en communication avec le tube de retour 24 par l'intermédiaire d'un passage de transfert supérieur 46 prévu dans la partie supérieure de la chemise 32 alors que la chambre intermédiaire.40 est en communication avec la rampe d'alimentation 16 grâce à un passage de transfert inférieur 48 disposé au voisinage de la paroi de fond inférieure de la chemise et plus précisément à l'intersection entre cette chemise et sa paroi de fond inférieure, comme montré sur les figures. Ainsi, comme représenté sur la figure 2b, la rampe 16 est en communication avec l'injecteur 12 par l'intermédiaire du passage de transfert inférieur 48 et des chambres 40 et 42 uniquement dans le cas o le piston 34 est en position haute, position dans laquelle le joint d'étanchéité 44 a quitté son siège. Le canal de passage 30 entre un injecteur 12 et la rampe 16 comprend donc le passage de transfert inférieur 48, la chambre intermédiaire 40 et la chambre inférieure 42. Le débattement du piston 34 est limité, en position haute, par des moyens de butée prévus soit sur la face supérieure du piston, soit sur la paroi de fond supérieure de la chemise, soit à la fois sur la face supérieure du piston et sur la paroi de fond supérieure de la chemise en permettant ainsi de ne pas obstruer le passage de transfert supérieur 46. Avantageusement, comme représenté sur les figures 2a et 2b, ces moyens de butée sont formés par des protubérances 50 disposées coaxialement sur la face supérieure du piston 34 et sur la paroi de fond supérieure de la chemise et servent de moyen de support d'un moyen élastique, tel qu'un ressort 52 à spires non jointives. Le piston 34 est également limité en débattement en position basse par des moyens de butée qui permettent de maintenir ce piston à une distance prédéterminée de la paroi de fond inférieure de façon à ce qu'il ne ferme pas le passage de transfert inférieur 48. Préférentiellement, ces moyens de butées consistent en des plots 54 saillant à partir de la face inférieure du piston et disposés circonférentiellement à distance les uns des autres. Ainsi, grâce à ces plots, le piston 34, sous l'action du ressort 52, est maintenu à distance de la paroi de fond inférieure alors que le joint 44 s'appuie sur son siège. Cette configuration est obtenue lorsque la différence de pression entre les chambres supérieure 38 et intermédiaire 40 est minime voire nulle, principalement lors des phases d'arrêt du moteur, comme cela est illustré avec la figure 2a. Le piston 34 est maintenu en position haute, comme montré à la figure 2b, sous l'effet de la différence de pression entre les chambres supérieure 38 et intermédiaire 40, plus précisément lorsque la pression dans la chambre intermédiaire 40 est suffisamment supérieure à celle présente dans la chambre supérieure 38 pour comprimer le ressort 52 et faire quitter de son siège le joint d'étanchéité 44, typiquement lors des phases de démarrage, de redémarrage et de fonctionnement. Le piston 24 porte également un moyen de fuite, ici un orifice calibré 56 traversant l'épaisseur de ce piston pour mettre en communication la chambre supérieure 38 avec la chambre intermédiaire 40 et dont le rôle sera mieux explicité dans la suite de la description. De préférence, cet orifice calibré est excentré par rapport à l'axe général du bloc 28. A l'arrêt du moteur, chaque bloc injecteur-clapet d'isolation 28 se trouve dans la configuration illustrée à la figure 2a. Dans cette configuration, la chambre supérieure 38 est à une pression Pr correspondante à celle du réservoir 10 de par la communication de cette chambre par le passage 46, le tube 24 et le conduit 22 avec ce réservoir. La chambre intermédiaire 40 est également à la pression Pr grâce à la communication de cette chambre avec la chambre supérieure 40 par l'orifice calibré 56. Au démarrage, la pompe 14, qui est une pompe haute pression, est mise en fonctionnement et envoie dans la rampe 16 le carburant GPL à une pression Pp, très supérieure à la pression Pr du réservoir 10 et qui est de l'ordre de 1,1 MPa. Le carburant à la pression Pp présent dans la rampe alimente la chambre intermédiaire 40 de chaque clapet 26 et exerce cette pression Pp sur la face inférieure du piston. Comme la face supérieure du piston est soumise à la pression Pr du réservoir, la pression Pp permet de vaincre la force du ressort 52 et pousse le piston 34 jusqu'à ce qu'il se trouve en position haute comme montré à la figure 2b. Dans cette position, le joint d'étanchéité 44 a quitté son siège et le carburant GPL présent dans la chambre intermédiaire 40 circule dans la chambre inférieure 42 qui est en communication avec l'injecteur 12. Dans cette configuration, le carburant GPL consommé par le moteur circule de la rampe 16 vers l'injecteur 12 en passant successivement par le passage de transfert inférieur 48, la chambre intermédiaire 40 et la chambre inférieure 42. Le surplus de carburant, qui n'a pas été utilisé par cet injecteur et qui est présent dans la chambre intermédiaire 40, passe au travers de l'orifice calibré 56 pour aboutir dans la chambre supérieure 38 et retourne dans le réservoir 10 par le passage de transfert supérieur 46, le tube 24 et le conduit 22. A l'instant de l'arrêt du moteur, la pompe 14 est arrêtée et un équilibre de pressions se réalise entre les faces supérieure et inférieure du piston 34. Sous l'effet du ressort 52, le piston 34 est alors poussé vers sa position basse jusqu'à ce que le joint d'étanchéité 44 prenne appui sur son siège et que les plots 54 viennent buter sur la paroi de fond inférieure de la chemise. Durant ce mouvement, le carburant en excès est évacué par l'orifice 56 vers la chambre supérieure. Dans cette position, l'injecteur 12 est totalement isolé de la chambre intermédiaire 40, et par conséquent de la rampe 16, et aucune fuite de carburant ne peut se produire à partir de cet injecteur. Pour éliminer le carburant résiduel contenu dans la chambre inférieure 42, il est possible de maintenir, pendant une très courte durée, la commande de l'allumage et des injecteurs en augmentant légèrement le régime moteur avant l'arrêt de ce moteur. Cette possibilité permet non seulement de diminuer encore plus les risques de fuite des injecteurs, mais également de diminuer la pression de carburant GPL dans cette chambre en contribuant ainsi à augmenter l'étanchéité entre les chambres intermédiaire 40 et inférieure 42. Dans le cas général d'un démarrage en situation critique o le moteur est encore chaud, il est connu que la pression de vapeur de carburant présente dans le réservoir et dans le circuit d'injection dépend fortement de la température régnant autour de ces éléments. En effet, le changement de phase liquide en phase vapeur du carburant GPL peut se produire lors d'une augmentation de la température du carburant GPL de telle sorte que la pression du carburant devienne inférieure ou égale à la pression de vapeur saturante correspondante du carburant GPL dans le circuit d'injection. Ce changement de phase peut se réaliser par exemple dans la rampe d'injection lors de l'arrêt du moteur quand celui-ci est encore chaud. Lors du redémarrage, il convient donc de transformer ce carburant en carburant GPL liquide ou pour le moins de réduire au maximum le temps pendant lequel le carburant GPL sous forme gazeuse est injecté dans le moteur. Pour ce faire et en se référant à nouveau à la figure 2a tout en se plaçant dans la situation critique citée plus haut au moment de l'arrêt du moteur, le carburant GPL est en phase liquide avec une pression Pr dans la chambre supérieure 38, la chambre intermédiaire 40 et éventuellement dans la rampe 16. Au redémarrage du moteur, la pompe 14 est mise en fonctionnement et la pression dans la chambre intermédiaire 40 et dans la rampe 16 augmente progressivement jusqu'à la valeur Pp nécessaire pour actionner le piston. Durant cet intervalle de temps, le carburant GPL présent dans la chambre intermédiaire et dans la rampe passe progressivement d'une pression Pr à une pression Pp. Compte tenu du différentiel de pression entre les deux chambres 38 et , le carburant présent dans la chambre inférieure 40 est évacué dans la chambre supérieure 38 par passage à travers l'orifice calibré 56. Lors du passage, le carburant se détend dans cette chambre supérieure et génère un refroidissement du carburant contenu dans les chambres et dans la rampe tout en contribuant à abaisser la température des contenants de ce carburant, comme le clapet 26 et la rampe 16. Ainsi, sous l'effet conjugué de la pression générée par la pompe 14 et de l'abaissement de température du carburant, le carburant sous forme gazeuse est transformé, en très grande partie, en carburant liquide. De ce fait, lors du démarrage, l'injection du carburant sous forme gazeuse est minimisée, d'une part, par l'évacuation d'une quantité de carburant gazeux vers la chambre supérieure et, d'autre part, par la transformation en phase liquide de ce carburant. Il est à noter que, durant cette phase démarrage à chaud, le carburant circule en permanence dans le circuit ce qui favorise l'homogénéisation du refroidissement dans chaque bloc injecteur-clapet d'isolation et permet ainsi le passage de l'état gazeux à l'état liquide de façon simultanée dans tous les blocs. On se réfère maintenant à la figure 3, qui montre une variante des figures 2a et 2b et qui pour cela comporte les mêmes références. Ce bloc comprend également un injecteur 12, un clapet d'isolation 26 et un canal de passage 30 entre le clapet et l'injecteur. Le clapet 26 comprend deux demi-boitiers 58a et 58b ouverts en vis à vis et venant enserrer à étanchéité une membrane pleine souple 60. Dans le demiboitier inférieur 58b est prévue, dans la paroi de fond, une ouverture dans laquelle est disposé une tubulure 62 qui porte l'injecteur 12. La tubulure fait saille à l'intérieur du demi-boitier inférieur 58b et comporte à son extrémité un bourrelet 64 servant de siège à un moyen d'étanchéité. L'ensemble demi-boitiers, tubulure et membrane délimite une chambre supérieure 38 comprise entre la face supérieure de la membrane 60 et la paroi de fond du demi-boitier supérieur 58a, une chambre intermédiaire 40 délimitée par la face inférieure de la membrane 60 et la paroi de fond du demi-boitier inférieur 58b et une chambre inférieure 42 qui est formée entre le bourrelet 64 de la tubulure 62 et l'injecteur 12. il La région centrale de la membrane 60 porte deux disques 66 et 68 disposés de part et d'autre de cette région centrale et liés à cette membrane par tous moyens connus, tels que par collage. Le disque 66 sert d'appui à un ressort 52 disposé entre la paroi de fond du demi-boitier supérieur 58a et la membrane alors que le disque 68 est utilisé comme moyen d'étanchéité qui permet d'isoler la chambre intermédiaire et la chambre inférieure lorsque ce disque est en appui sur le bourrelet. Comme précédemment décrit, la chambre supérieure 38 est en communication avec le tube 24 par l'intermédiaire d'un passage de transfert supérieur 46, ici disposé dans la paroi latérale du demi-boitier supérieur, et la chambre intermédiaire 40 est en communication avec la rampe d'alimentation 16 grâce à un passage de transfert inférieur 48, prévue de préférence dans la paroi de fond du demi-boitier inférieur. Ainsi, la rampe 16 est en communication avec l'injecteur 12 par l'intermédiaire du passage de transfert inférieur 48 et des chambres 40 et 42 uniquement dans le cas o le disque d'étanchéité 68, porté par la membrane, a quitté son appui sur le bourrelet 64. La membrane 60 porte également un orifice calibré 56 qui, dans l'exemple montré à la figure 3, est prévu au niveau des disques 66 et 68 en traversant l'épaisseur de ces disques et de cette membrane. Comme visible sur la figure, l'orifice calibré est situé en dehors d'une zone de la membrane qui est délimitée par le bourrelet 60 lors de l'appui du disque d'étanchéité 68 sur ce bourrelet. Comme précédemment décrit en relation avec les figures 2a et 2b, des moyens de butée, tels que des protubérances (non représentées), sont prévus pour limiter le débattement, en position haute, de la membrane 60. Ces moyens sont disposés soit sur la face supérieure du disque 66, soit sur la paroi de fond du demi-boitier supérieur 58a, soit à la fois sur la face supérieure du disque d'appui 66 et sur la paroi de fond du demi-boitier supérieur. La membrane 60 est également limitée en débattement en position basse par des moyens de butée qui sont formés par le bourrelet 64 de la tubulure 62 et qui pour cela est disposé à une distance prédéterminée de la paroi de fond du demi-boitier inférieur 58b. Cette variante de bloc injecteur-clapet d'isolation fonctionne de la même façon que celui décrit en relation avec les figures 2a et 2b. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits mais englobe toutes variantes. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'injection d'un carburant liquide dans un moteur à combustion interne présentant, à la pression ambiante, un point d'ébullition inférieur à la température ambiante, ledit dispositif comprenant un circuit comportant un réservoir (10), une pompe (14), une rampe d'alimentation (16) reliée à des injecteurs (12) par des canaux (30) contrôlés par des moyens d'isolation (26) connectés à un tube de retour (24) du carburant vers le réservoir, caractérisé en ce que les moyens d'isolation (26) comportent des moyens de fuite (56) du carburant entre ladite rampe et ledit tube. 2) Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les moyens d'isolation sont un clapet (26) comportant une première chambre (38) reliée au tube de retour (24) et une seconde chambre (40) reliée à la rampe (16), caractérisé en ce que les moyens de fuite (56) sont disposés entre lesdites chambres. 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de fuite (56) sont prévus au travers d'un piston coulissant (34, 36) délimitant lesdites chambres. 4) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de fuite (56) sont prévus au travers d'une membrane souple (60) délimitant lesdites chambres. 5) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de fuite sont un orifice calibré (56). 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice calibré (56) est un détendeur du carburant lors d'une différence de pression entre les chambres. 7) Méthode d'injection d'un carburant liquide dans un moteur à combustion interne présentant, à la pression ambiante, un point d'ébullition inférieur à la température ambiante, ladite méthode utilisant un circuit comportant un réservoir (10), une pompe (14), une rampe d'alimentation (16) reliée à des injecteurs (12) par des canaux (30) contrôlés par des moyens d'isolation (26) connectés à un tube de retour (24) du carburant vers le réservoir, caractérisée en ce que l'on établit, en fonctionnement, une fuite de carburant dans les moyens d'isolation (26) entre ladite rampe et ledit tube. 8) Méthode d'injection selon la revendication 7, caractérisée en ce l'on détend le carburant dans les moyens d'isolation (26) pour assurer le refroidissement de carburant.