Brevet FR2891023A1 — publié le 20070323

SYSTEME D'INJECTION DE CARBURANT POUR MOTEUR DIESEL 1] La présente invention concerne un système d'injection de carburant pour moteur Diesel permettant de répondre en temps réel aux besoins de chauffer ou de refroidir le carburant. 2] On sait qu'un des problèmes concernant les moteurs Diesel réside dans leur fonctionnement à basse température. En effet, à des températures inférieures ou voisines de 0 C, le carburant qui est généralement du gasoil tend à se figer dû à la formation de paillettes dans le carburant. Ce phénomène se produit principalement à la sortie du réservoir de carburant et dans le filtre dont la fonction est d'éliminer les particules solides et l'eau éventuellement présentes dans le carburant. Le filtre et/ou les canalisations sont alors obstrué(es), au moins en partie, empêchant l'arrivée du carburant en quantité suffisante à la pompe d'injection. 3] Deux solutions principales ont été apportées à ce problème de colmatage du filtre à carburant. Une première solution consiste à chauffer le carburant au niveau du filtre à l'aide d'une ou plusieurs résistances électriques. Cette solution est par exemple décrite dans la demande de brevet FR 2.487.432 qui concerne un filtre à carburant dont les parois latérales et la partie centrale contiennent des résistances chauffantes. L'avantage de cette solution est qu'elle fonctionne dès que le contact électrique de la batterie est établi. Cependant, la puissance électrique disponible est relativement faible et parfois insuffisante. 4] La deuxième solution, décrite dans la demande de brevet FR 2.831. 218, consiste à recirculer, en amont du filtre, la partie du carburant pompée dans le réservoir et fournie à la pompe mais non injectée dans les cylindres du moteur. La température du carburant s'élevant en traversant la pompe, et par phénomène de détente adiabatique en retour du circuit haute pression, cette partie du carburant est à une température supérieure à la température du carburant dans le filtre. En recirculant cette partie de carburant en amont du filtre, on réchauffe le carburant provenant directement du réservoir. Cette solution n'est cependant pas efficace lorsque la température à l'extérieur du véhicule est basse (en dessous de quelques C) et lorsque le filtre est relativement éloigné du moteur, par exemple situé à l'arrière du véhicule à proximité du réservoir à carburant alors que le moteur est à l'avant du véhicule. Dans ce cas, la canalisation de recirculation amenant le carburant "réchauffé" de la pompe vers le filtre passe sous la caisse du véhicule et est donc en contact direct avec l'air froid extérieur. Le carburant est alors refroidi et ne permet pas d'élever suffisamment la température du carburant sortant directement du réservoir. 5] Les deux solutions existantes sont conçues pour chauffer le carburant en amont du filtre ou au niveau du filtre lui-même. La présente invention propose une solution plus efficace pour réchauffer le carburant. 6] Un autre problème, résolu par un mode de réalisation du système selon la présente invention, vient de l'échauffement du carburant dans la canalisation de recirculation, cet échauffement pouvant être trop important pour certaines conditions de fonctionnement du moteur. En effet, les systèmes d'injection directe compriment le carburant à haute ou très haute pression (jusqu'à environ 1800 bars). Le carburant non injecté dans les cylindres du moteur et recirculé vers le réservoir ou en amont du filtre est à une pression plus faible. Il y a donc détente du carburant, ce qui s'accompagne d'une élévation de température. Si cette dernière est trop importante, le circuit d'injection peut être endommagé. 7] La présente invention propose une solution ne présentant pas les inconvénients des solutions antérieures en permettant de répondre aux besoins thermiques du carburant, au moins en terme de chauffage et pour un mode réalisation également en terme de refroidissement, pour assurer l'alimentation du moteur en carburant dans toutes les conditions d'utilisation. 8] De façon plus précise, l'invention concerne un système d'injection de carburant pour moteur Diesel d'un véhicule comportant un circuit d'injection comprenant une rampe d'injection muni d'injecteurs, un réservoir de carburant, une pompe pour extraire le carburant hors du réservoir et alimenter sous pression les injecteurs, un filtre placé en amont de la pompe et destiné à filtrer le carburant extrait du réservoir, et des moyens de chauffage du carburant traversant le filtre. 9] Selon l'invention, le système comporte en outre un circuit de recirculation du carburant, ledit circuit de recirculation comportant des moyens pour orienter le carburant recirculé vers le circuit d'injection entre le filtre et la pompe, permettant ainsi d'améliorer l'efficacité des moyens de chauffage par diminution du flux de carburant traversant le filtre. 0] Selon un mode de réalisation préféré, les moyens d'orientation du carburant recirculé permettent en outre d'orienter le carburant vers le réservoir. 1] Par exemple, les moyens d'orientation du carburant peuvent être constitués par une vanne comprenant une entrée et deux sorties, l'entrée recevant le carburant recirculé, l'une des deux sorties étant connectée au circuit d'injection en amont de la pompe et en aval du filtre et l'autre sortie étant connectée au réservoir. 2] Le circuit de recirculation peut comporter des moyens sensibles à la température du carburant recirculé, ces moyens pilotant la vanne pour permettre la recirculation du carburant vers la pompe ou vers le réservoir. La vanne peuvent être pilotée également en fonction des conditions d'utilisation du véhicule qui comprennent au moins l'un des paramètres choisis parmi la température extérieure, le régime moteur, la charge moteur et la pression dans la rampe d'injection. 3] Selon un autre mode de réalisation, le circuit de recirculation comporte en outre des moyens de refroidissement du carburant recirculé, constitués par exemple par un échangeur air/carburant. La chaleur dissipée dans l'échangeur peut avantageusement être récupérée pour être utilisée dans un système de chauffage du véhicule. 4] Selon un mode de réalisation particulier du système selon l'invention, le filtre est situé à l'arrière du véhicule. 5] Avantageusement, un clapet anti-retour empêche le carburant contenu dans le réservoir (non filtré) de passer du réservoir au circuit d'alimentation via le système de recirculation. 6] Les moyens de chauffage du carburant traversant le filtre peuvent être constitués par au moins une résistance électrique actionnée en fonction de la température du carburant. 7] De façon avantageuse, les moyens de chauffage du carburant traversant le filtre sont activés lorsque la température du carburant est inférieure ou égale à 0 C par exemple et sont désactivés lorsque la température du carburant est supérieure à +5 C par exemple. 8] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence au dessin de la figure unique qui représente schématiquement un mode de réalisation du système d'injection de carburant conforme à la présente invention. 9] Ce système comporte un circuit d'injection directe composé principalement et successivement, d'amont en aval (c'est-à-dire en suivant le sens de circulation du carburant), d'un réservoir à carburant, d'un filtre, d'une pompe et d'une rampe d'injection munie d'injecteurs. Le système comporte également un circuit de recirculation du carburant, qui renvoie une partie du carburant en sortie de la rampe d'injection, soit vers un point du circuit d'injection en amont de la pompe et en aval du filtre, soit vers le réservoir. 0] Dans les moteurs à injection directe, une partie du carburant pompé dans le réservoir est en effet non injectée dans les cylindres du moteur. Ce carburant est remis en circulation, soit en retournant au réservoir, soit en étant recirculé dans le circuit d'injection. Ce carburant, qui sera désigné par la suite par l'expression "carburant recirculé", correspond à la petite fraction de carburant non employée pour être injectée et en provenance des divers composants du système d'injection haute pression (retour pompe, retour injecteurs, retour rampe, etc. ). 1] Selon la présente invention, le chauffage du carburant s'effectue à l'aide de deux moyens. 2] Selon un premier moyen, le carburant pompé directement dans le réservoir est chauffé, 10 soit avant de pénétrer dans le filtre, soit dans le filtre. Ce chauffage se fait préférentiellement à l'aide d'une ou plusieurs résistances électriques connectées au circuit électrique du véhicule. 3] Selon un deuxième moyen, le carburant recirculé est injecté dans le circuit d'injection en amont de la pompe et en aval du filtre. De ce fait, ce carburant recirculé ne traverse pas le filtre et contribue à réduire notablement le débit de carburant traversant le filtre. La puissance électrique disponible pour chauffer les résistances électriques étant fixe, par exemple 150 Watts, plus le débit traversant le filtre diminue, plus l'élévation de température du carburant augmente. Ainsi, en divisant par exemple par quatre le débit traversant le filtre, l'augmentation de température et donc l'efficacité du chauffage électrique est multipliée par quatre, ce qui réduit considérablement ou même supprime le risque de colmatage du circuit d'injection. 4] On remarque que le deuxième moyen de chauffage (la recirculation du carburant en aval du filtre) améliore indirectement l'efficacité du premier moyen de chauffage (les résistances électriques), grâce à la réduction du débit de carburant traversant le filtre. 5] Le système d'injection représenté schématiquement sur la figure unique comprend un circuit d'injection directe 10 constitué d'un réservoir de carburant 12 muni d'un préfiltre 14 situé au fond du réservoir, d'une canalisation 16 reliant le préfiltre 14 à l'entrée d'un filtre 18, d'une pompe haute pression 20 reliée au filtre 18 par une canalisation 22 et d'une rampe d'injection 24 munie d'injecteurs 26, la rampe étant reliée à la pompe 20. Un régulateur de pression 28 est disposé à l'extrémité de la rampe d'injection 24. Des moyens pour chauffer le carburant à l'entrée du filtre 18 sont représentés schématiquement sous forme d'une résistance électrique 30 reliée à un circuit d'alimentation électrique 32. La puissance électrique à fournir est par exemple de l'ordre de 150 Watts. La résistance 30 peut être par exemple une résistance chauffante entourant la canalisation 16 sur un tronçon situé en amont du filtre 18. Plusieurs résistances chauffantes peuvent être utilisées. Alternativement ou de façon complémentaire, le filtre lui-même peut être chauffé à l'aide d'une ou plusieurs résistances électriques, par exemple en entourant la paroi extérieure ou intérieure du filtre. 6] Le circuit d'injection 10 comporte également, de façon facultative, un dispositif 34 d'amorçage de la pompe 20. Il permet d'aspirer du carburant depuis le réservoir 12 et de le refouler vers la pompe 20. Ce dispositif, qui peut être une pompe manuelle actionnée à la main, se révèle utile pour réamorcer la pompe 20 en cas de panne sèche ou de remplacement de l'élément filtrant du filtre 18. 7] Le système selon l'invention comporte également un circuit de recirculation 36 du carburant envoyé par la pompe 20 à la rampe 24 mais non injecté dans les cylindres du moteur. Ce circuit 36 comporte une canalisation 38 pour recirculer la petite fraction du carburant utilisée pour lubrifier la pompe 20, un canalisation 40 pour recirculer la partie de carburant que laisse fuir le régulateur de pression 23 lorsque la pression dans la rampe 24 est trop élevée et une canalisation 42 pour la recirculation du carburant utiliser pour le fonctionnement des injecteurs 26 en servant de débit de commande. Les canalisations 38, 40 et 42 sont reliées à une canalisation 44. Le circuit de recirculation 36 comporte également des moyens 46 permettant de recirculer le carburant présent dans la canalisation 44, soit vers le circuit d'injection directe 10 en amont de la pompe 20 et en aval du filtre 18, soit vers le réservoir 12 par une canalisation 48. Ces moyens 46 peuvent être constitués par une vanne à trois voies comprenant une entrée 50 et deux sorties 52 et 54. L'entrée 50 est reliée à la canalisation 44 et est destinée à recevoir le carburant recirculé. La sortie 52 est reliée à la canalisation 22 en amont de la pompe 20 et en aval du filtre 18. La sortie 54 est reliée au réservoir 12 par la canalisation 48. Dans une variante de l'invention, un filtre à durée de vie du véhicule est intégré entre les deux sorties 52 et 54 de manière à protéger le système d'injection haute pression de ses propres particules métalliques en provenance du retour de ses composants. 8] De façon avantageuse, un clapet anti-retour 56 est placé à la sortie 54 afin d'éviter l'aspiration du carburant non filtré issu du réservoir par la canalisation 48, ce qui pourrait se produire dans le cas extrême où le circuit d'alimentation ne permettrait pas de répondre au débit nécessaire. 9] Le carburant recirculé présent dans la canalisation 44 est à une pression inférieure à la pression du carburant fourni par la pompe 20. Ce carburant a donc subit une détente, laquelle s'accompagne d'un dégagement de chaleur qui peut être important. Afin d'éviter des dommages infligés au circuit par une augmentation trop importante de la température du carburant recirculé, le circuit 36 comporte un échangeur de chaleur 58, qui peut être un échangeur air/carburant. Il peut être positionné par exemple sous la caisse du véhicule. 0] Le fonctionnement du système d'injection de carburant est fonction de la température du carburant, principalement en amont du filtre 18 ou dans le filtre, indiqué par le point 60 qui représente schématiquement un capteur de température. Les moyens de chauffage 32, la vanne 46 et l'échangeur de chaleur 58 sont commandés en fonction de deux seuils de température: un seuil bas et un seuil haut. Le seuil bas correspond à une alimentation correcte en carburant de la pompe 20. A titre d'exemple, les moyens de chauffage 32 sont activés lorsque la température du carburant est inférieure ou égale à -2 C 2 C et sont désactivés lorsque la température du carburant est supérieure ou égale à +3 C 2 C. Les températures d'activation et de désactivation sont choisies dans les plages précitées en fonction des lieux d'implantation des différents organes tels que le lieu d'implantation du filtre dans le véhicule. La vanne 46 autorise la recirculation du carburant vers la pompe 20 lorsque la température du carburant est par exemple inférieure ou égale à 20 C 5 C. Au-dessus de cette dernière plage de température, le carburant est recirculé vers le réservoir 12. 1] Le seuil haut de température correspond à la tenue en température des éléments du système, notamment lorsque la température extérieure est élevée et à forte charge du moteur. L'échangeur de chaleur 58 est alors actionné lorsque la température du carburant dépasse ce seuil haut. 2] Selon un premier mode de réalisation, la vanne 46 est thermostatée, par exemple de type bilame ou à cire dilatable sensible à la température du carburant traversant la vanne. Cette dernière se ferme et s'ouvre donc automatiquement, en fonction de la température du carburant, afin d'orienter le carburant recirculé, soit vers la pompe 20, soit vers le réservoir 12. Selon un autre mode de réalisation, la vanne 46 est pilotée par un calculateur qui tient compte de la température du carburant et des conditions d'utilisation du véhicule telles que par exemple la température extérieure, le régime moteur, la charge moteur et la pression dans la rampe d'injection. 3] Afin de gérer de façon plus complète le système, il est avantageux de connaître la température du carburant en d'autres endroits et d'y placer des capteurs de température, notamment en amont de la pompe 20 (point 62), en sortie de la rampe d'injection (point 64), en amont de l'échangeur air/carburant (point 66) et à l'entrée du réservoir sur la canalisation de retour du carburant (point 68). De plus, un capteur de la température extérieure au véhicule est utile. Tous ces capteurs sont connectés à un calculateur qui pilote le système. 4] Les trois exemples qui suivent illustrent le fonctionnement du système. 5 [0035] * Exemple 1: [0036] Conditions froides/ charge du moteur moyenne : température du carburant dans le réservoir 12 égale à 5 C et au niveau de la vanne 46 inférieure à 20 C; débit du carburant dans le filtre 18 inférieur à 30 litres/heure et pression à l'entrée de la pompe 20 supérieure à 600 mbar. 7] Dans ces conditions, le chauffage 32 est désactivé et la vanne 46 est ouverte de façon à orienter le carburant recirculé en amont de la pompe 20. On remarque que le débit de carburant traversant le filtre 18 est égal au débit de carburant injecté dans les cylindres du moteur. * Exemple 2: 9] - conditions de température extrêmes / forte charge du moteur: température du carburant dans le réservoir 12 égale à -20 C et au niveau de la vanne 46 inférieure à 20 C, avec une différence de température du carburant entre la sortie du filtre 18 et le réservoir 12 supérieure à 8 C; débit du carburant dans le filtre 18 inférieur à 40 litres/heure et pression à l'entrée de la pompe 20 supérieure à 600 mbar [0040] Dans ces conditions, le chauffage 32 est activé et la vanne 46 est ouverte de façon à orienter le carburant recirculé en amont de la pompe 20. On remarque que, comme dans l'exemple précédent, le débit de carburant traversant le filtre 18 est égal au débit de carburant injecté dans les cylindres du moteur. * Exemple 3: 2] - conditions de température chaudes / faible charge du moteur: température du carburant dans le réservoir 12 égale à 30 C et au niveau de la vanne 46 supérieure à 20 C; débit du carburant dans le filtre 18 inférieur à 160 litres/heure et pression à l'entrée de la pompe 20 supérieure à 600 mbar. 3] Dans ces conditions, le chauffage 32 est désactivé et la vanne 46 est positionnée de façon à orienter le carburant recirculé dans la canalisation 48 vers le réservoir. On remarque que, contrairement aux deux exemples précédents, le débit de carburant traversant le filtre 18 est égal au débit total de carburant, c'est-à-dire à la somme du débit injecté dans les cylindres et du débit recirculé dans la canalisation 44. 4] En plus d'assurer une bonne alimentation en carburant du moteur en fonction de la température, le système d'injection contribue à réduire les pertes de charge interne de la ligne d'alimentation en choisissant judicieusement l'implantation de la vanne de recirculation 46. Son implantation, qui peut être indifféremment en amont ou en aval de l'échangeur de chaleur 58, est choisie en fonction des pertes de charge internes au circuit. Elle est donc choisie en fonction de l'implantation des différents composants du système d'injection. 5] Le filtre 18 peut aussi être placé à proximité du réservoir 12, à l'arrière du véhicule lorsque le moteur est situé à l'avant. 6] D'autres modes de réalisation que celui décrit et représenté peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, le carburant recirculé a été défini comme provenant de trois sources différentes: la pompe, le régulateur de la rampe d'injection et les injecteurs. Il est évident que le carburant recirculé peut ne provenir que d'une seule source. 9 2891023 REVENDICATIONS 1. Système d'injection de carburant pour moteur Diesel d'un véhicule comportant un circuit d'injection (10) comprenant une rampe d'injection (24) muni d'injecteurs (26), un réservoir de carburant (12), une pompe (20) pour extraire le carburant hors du réservoir et alimenter sous pression lesdits injecteurs, un filtre (18) placé en amont de ladite pompe et destiné à filtrer le carburant extrait dudit réservoir, des moyens de chauffage (30, 32) du carburant traversant ledit filtre, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de recirculation (36) du carburant réinjectant une partie du carburant depuis l'aval de la pompe (20) vers un point en aval du filtre (18) permettant ainsi d'améliorer l'efficacité desdits moyens de chauffage (30, 32) par diminution du flux de carburant traversant ledit filtre. 2. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'orientation (46) du carburant recirculé permettent en outre d'orienter le carburant vers ledit réservoir. 3. Système d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'orientation du carburant sont constitués par une vanne (46) comportant une entrée (50) et deux sorties (52, 54), l'entrée (50) recevant le carburant recirculé, l'une (52) des deux sorties étant connectée au circuit d'injection en amont de la pompe et en aval du filtre et l'autre sortie (54) étant connectée au réservoir. 4. Système d'injection selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit de recirculation (36) comporte des moyens sensibles à la température du carburant recirculé, lesdits moyens pilotant ladite vanne pour permettre la recirculation du carburant vers ladite pompe ou vers ledit réservoir. 5. Système d'injection selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens sensibles à la température commandent ladite vanne afin de permettre la recirculation du carburant vers le circuit d'injection (10) lorsque la température du carburant est comprise entre 15 C et 25 C. 6. Système d'injection selon l'une des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que ladite vanne (46) est pilotée en fonction des conditions d'utilisation du véhicule, en plus de la 30 température du carburant. 7. Système d'injection selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites conditions d'utilisation comprennent au moins l'un des paramètres choisis parmi la 2891023 température extérieure, le régime moteur, la charge moteur et la pression dans ladite rampe d'injection. 8. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit circuit de recirculation (36) comporte des moyens de refroidissement (58) du 5 carburant recirculé. 9. Système d'injection selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit filtre (18) est situé à l'arrière du véhicule. 10. Système d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un clapet anti-retour (56) empêchant le carburant recirculé de passer dudit réservoir (12) vers ledit circuit de recirculation (36).