Brevet FR2990003A1 — publié le 20131101

Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine de la régulation de pression des gaz et plus particulièrement celle des carburants gazeux pour véhicules à moteur. Etat de la technique Dans un système classique de véhicule à moteur fonctionnant par combustion d'un carburant gazeux, on trouve un réservoir de gaz à haute pression relié à un dispositif de détente-régulation par une conduite haute pression. Ce dispositif de détente-régulation est généra- lement situé à proximité du moteur et effectue une détente du carburant depuis la haute pression de stockage du réservoir vers une basse pression correspondant à la pression d'entrée du système d'injection. Cette pression est régulée par le dispositif afin d'obtenir une pression de sortie stabilisée et qui se situe généralement entre 1 bars et 10 bars. Classiquement, la détente du carburant gazeux à haute pression est réalisée par un détendeur à gaz opérant une détente fixe à double étage à membrane ou à piston. La régulation de pression est généralement dé- volue à un régulateur à ressort de consigne. Dans ce type de régulateur, un clapet de puissance met en relation une chambre d'arrivée haute pression avec une chambre de détente reliée à la sortie du régulateur. Le clapet de puissance est lié à une membrane soumise sur une première face à la pression de la chambre de détente et soumise sur une seconde face à l'effort d'un ressort de consigne. La pression de la chambre de détente s'exerçant sur la première face de la membrane s'oppose à la tension du ressort. A l'équilibre entre les résultantes de ces deux forces, le clapet de puissance est fermé. Lorsque la pression dans la chambre de détente diminue - notamment en raison d'une consommation de carburant gazeux par le moteur- l'effort exercé par le ressort de consigne dé- place la membrane et provoque l'ouverture du clapet de 2990003 2 puissance. La chambre haute pression est alors en communication avec la chambre de détente. La pression de la chambre de détente remonte jusqu'à atteindre une valeur de consigne fixe -établie par la tension du ressort de 5 consigne- qui ferme le clapet de puissance. Ce dispositif permet de délivrer une pression régulée selon une consigne préréglée. Ce type de régulateur ne permet pas de modifier la consigne de pression en temps réel afin de compenser des pics de consommation de carburant, notamment 10 lors d'une accélération brutale du véhicule ou d'une sol- licitation intense du moteur. Ainsi, lors d'une sollicitation brutale du moteur, le régulateur ne permet pas de délivrer rapidement un débit suffisant et le moteur perd en réactivité et nervosité. La consigne de pression de 15 sortie étant fixée par action sur la tension du ressort, la précision de ce mécanisme est faible et peut varier dans le temps (fatigue du ressort). Enfin, le détendeur-régulateur étant implanté à proximité du système d'injection, le carburant gazeux est 20 acheminé à haute pression depuis le réservoir, générale- ment situé à l'arrière du véhicule, jusqu'au moteur situé à l'avant par une conduite de longueur équivalente à celle du véhicule et capable de résister à la haute pression régnant dans le réservoir ainsi qu'aux agressions 25 extérieures. Une telle conduite est coûteuse et, dans le cas de carburant de type gaz naturel pour véhicule ou GNV pour lequel la pression de stockage peut atteindre 300 bars, cette conduite est un organe particulièrement sensible en terme de sécurité. 30 Objet de l'invention Un but de l'invention est d'améliorer la réactivité de l'alimentation en carburant gazeux d'un moteur, ainsi que sa précision. Exposé de l'invention 35 A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un dis- positif de régulation à pression de sortie pilotable, pour véhicule à moteur fonctionnant avec un carburant gazeux, comportant, dans un corps unique : - un premier circuit à une première pression, com- prenant successivement des moyens de raccordement à une alimentation sous pression et une électrovanne de liaison à une chambre d'admission d'un circuit de régulation ; - un deuxième circuit à une deuxième pression inférieure à la première pression, le deuxième circuit com- prenant successivement une chambre de détente, un trans- metteur de pression et des moyens de raccordement à un circuit externe ; -un clapet de puissance monté pour commander une mise en communication de la chambre d'admission avec la chambre de détente, ledit clapet étant lié à une membrane définissant une des parois de la chambre de détente et ayant une première face soumise à la pression du deuxième circuit et une deuxième face définissant, avec le corps du dispositif, une chambre de pilotage ; -un canal de purge de la chambre de pilotage ; -un troisième circuit comprenant un piquage sur le premier circuit et une chambre d'alimentation, à la première pression, de la chambre de pilotage comprenant un clapet de commande qui est solidaire d'une membrane s'étendant dans la chambre d'alimentation et qui est as- socié à un actionneur électrique pour commander l'alimentation de la chambre de pilotage. On obtient alors un équipement dont la pression de sortie peut être pilotée par une action sur le clapet de commande agissant sur l'admission de la chambre de pi- lotage dont la fonction est de piloter la régulation. Avantageusement, le dispositif selon l'invention est monté en aval d'au moins un détendeur de GNV (Gaz Naturel pour Véhicule) situé à proximité du réservoir et alimente les injecteurs de carburant montés sur le mo- teur. Ainsi, l'ancienne canalisation haute pression reliant le réservoir au dispositif détendeur-régulateur situé à proximité du système d'injection est remplacée par une canalisation qui achemine le carburant détendu à une pression inférieure à celle du réservoir. La réduction des contraintes auxquelles la canalisation est soumise réduit ses coûts de production, de montage et les conséquences d'une détérioration de la canalisation, notamment en cas d'arrachement accidentel. Avantageusement, le canal de purge débouche dans le second circuit, en aval de la chambre de détente, permettant de consommer le gaz de pilotage qui n'est ainsi pas rejeté à l'extérieur. L'invention a également pour objet un véhicule équipé d'un tel dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention. Brève description des figures Il sera fait référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'ensemble d'un véhicule fonctionnant avec un carburant gazeux et équipé du dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma représentant l'architecture interne du dispositif selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique d'ensemble en coupe du dispositif selon l'invention ; - la figure 4 est une vue de détail en coupe d'un clapet de commande du dispositif selon l'invention ; - la figure 5 est une vue de détail d'un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Description détaillée de l'invention En référence aux figures 1 à 4, l'invention concerne un dispositif de régulation, généralement désigné en 1, pour un véhicule 2 pourvu d'un ordinateur de bord et comportant un moteur 3 opérationnellement lié par une canalisation 4 à un détendeur 5 de carburant gazeux à haute pression qui est délivré par un réservoir haute pression 6 alimentant le détendeur 5. La canalisation 4 amène le carburant gazeux depuis le détendeur 5 jusqu'au dispositif de régulation 1 situé à proximité du système d'injection du moteur 3. Le dispositif régulateur 1 comprend, dans un corps unique 7 d'axe X, deux chambres cylindriques coaxiales : une chambre d'admission 8, et une chambre d'alimentation 9, toutes deux en communication fluidique avec une troisième chambre coaxiale aux deux autres. Cette troisième chambre comprend une membrane transver- sale 10 définissant avec le corps 7 du dispositif régulateur 1, une paroi d'une chambre de détente 11 et d'une chambre de pilotage 12. Les chambres 8, 11 et 12 sont respectivement la chambre d'admission 8, la chambre de détente 11 et la chambre de pilotage 12 du circuit de ré- gulation du dispositif régulateur 1. Un alésage axial 13 relie la chambre d'admission 8 à la chambre de détente 11 et un conduit axial 14 relie la chambre de pilotage 12 à la chambre d'alimentation 9. Ce conduit 14 débouche au sommet d'une protubérance 15 en saillie dans la chambre d'alimentation 9. La chambre d'alimentation 9 comporte elle aussi une membrane transversale 16 qui définit une première chambre d'alimentation 9.1 et une deuxième chambre d'alimentation 9.2. La membrane 16 comprend un clapet de commande 17 ici sous la forme d'une pastille en inox ferromagnétique surmoulée dans la membrane 16 et soumis à la force électromagnétique d'un électroaimant 18 monté de manière étanche dans la paroi du corps 7 faisant face à la protubérance 15, coaxialement à l'axe X. Cet élec- troaimant 18 est relié à un calculateur dédié désigné 33 pour être commandé par celui-ci. Le clapet de commande 17 ferme sélectivement le conduit 14 sous l'effet d'un changement d'état de l'alimentation électrique de l'électroaimant 18. Ici, en l'absence d'alimentation de l'électro- aimant 18, le clapet de commande 17 repose sur la partie supérieure de la protubérance 15 -dont la face au contact du clapet 17 est conformée pour réaliser un siège accueillant celui-ci de manière étanche- et ferme le conduit 14. La membrane 10 est solidaire en son centre d'une tige de commande 24 d'un clapet de puissance 25 qui commande la mise en communication de la chambre d'admission 8 avec la chambre de détente 11. Ainsi un déplacement de la membrane 10 commande la mise en communication ou non de la chambre d'admission 8 avec la chambre de détente 11. La tige de commande 24 s'étendant selon l'axe X. Le dispositif régulateur 1 comprend également un conduit d'alimentation 19 débouchant dans la chambre d'admission 8 et comprenant successivement un embout fi- leté de raccordement 20, un filtre 21 et une électrovanne 22 d'admission à la chambre d'admission 8. L'électrovanne 22 est de type normalement fermé à deux étages dont la technologie est connue en soi. La chambre d'admission 8, le conduit d'alimentation 19 et ses accessoires constituent un pre- mier circuit 50 soumis à une première pression délivrée par le détendeur 5. Le premier circuit 50 comprend, également, en sortie de l'électrovanne 22, un transmetteur de pression 31 mesurant la pression régnant dans le cir- cuit 50. Comme visible en figure 3, un piquage réalisé sur le circuit 50, en amont de la chambre d'admission 8, alimente séparément à la première pression les chambres 9.1 et 9.2. Le piquage ainsi que les chambres 9.1 et 9.2 constituent un troisième circuit 50.1. Ainsi, la membrane 16 s'étendant dans la chambre d'alimentation 9 est sou- mise sur ses deux faces à la première pression régnant dans le conduit 19. Cet agencement des pressions permet, en assistant le mouvement du clapet de commande 17, d'assurer un fonctionnement « Normalement Fermé » de ce- lui-ci grâce à l'application d'une pression identique sur deux surfaces différentes car la protubérance 15 réduit la surface sur laquelle la pression régnant dans la chambre 9.2 s'applique. Un autre bénéfice d'un tel agencement est de pouvoir réduire la force magnétique nécessaire à la commande du clapet de commande 17 et donc le dimen- sionnement, le coût et la consommation électrique de l'électro-aimant 18. Enfin, la chambre de détente 11 est reliée à un conduit de sortie 26 pourvu d'un transmetteur de pression 27 et terminé par un embout taraudé 28 de raccordement à un circuit externe alimentant le système d'injection du moteur 3. Un canal de purge 29 en provenance de la chambre de pilotage 12 débouche dans le conduit 26 en aval de la chambre de détente 11. Ce canal de purge 29 est cons- tamment ouvert et comporte une restriction 30. Selon un mode de réalisation préféré, le transmetteur de pression 27 intègre un capteur de température 32, ici de type résistif. La mesure de température dans le conduit 26 est exploitée pour réaliser une compensation en température de la mesure de la pression réalisée par le capteur de pression 27 et permet alors une évaluation fine de la quantité de carburant délivrée en sortie du dispositif régulateur 1. La chambre de détente 11, le canal 26, le transmetteur de pression 27 et les moyens de raccordement 28 constituent un second circuit 100 soumis à une pres- sion régulée inférieure à celle du premier circuit 50. L'électrovanne 22 et le transmetteur de pression 31 sont reliés à l'ordinateur de bord du véhicule 2. L'électroaimant 18, le transmetteur de pression 27 et le capteur de température 32 sont relié à un calculateur dé- dié 33 - ou Engine Control Unit : ECU- intégré ou non à l'ordinateur de bord du véhicule 2. En fonctionnement, la mise sous tension du véhi- cule 2 provoque l'ouverture de l'électrovanne 22. Le car- burant gazeux remplit alors la chambre d'admission 8 ain- si que les deux chambres 9.1 et 9.2 de la chambre d'alimentation 9. Le clapet de commande 17 et le clapet de puissance 25 reposent sur leurs sièges et ferment les conduits 14 et 13. Le calculateur 33 pilote l'électroaimant 18 en fonctionnement tout ou rien par modulation de la largeur d'impulsion du signal (ou Pulse Width Modulation) dont le principe est connu en soi. Au démarrage du moteur 3, le calculateur 33 en- voie une impulsion électrique de durée T à l'électroaimant 18. Sous l'action du champ magnétique développé par celui-ci, la distance séparant l'électroaimant 18 du clapet 17 est modifiée. Ce faisant, le clapet de commande 17 passe alors dans une position corres- pondant à l'alimentation par la première pression de la chambre de pilotage 12 jusqu'à la pression détendue (ouverture du conduit 14). Pendant la durée T de l'impulsion électrique délivrée par le calculateur 33, la pression régnant dans la chambre de pilotage 12 va progressivement augmenter. Cette augmentation de pression est possible grâce au rapport des ouvertures du conduit 14 et de la restriction 30 du canal de purge 29. Lorsque la résultante de la pression de la chambre 12 sur une première face de la membrane 10 est supérieure à la résultante de la pression de la chambre de détente 11 sur la seconde face de la membrane 10 ajoutée à la pression de la chambre 8 sur le clapet de puissance 25, celui-ci s'ouvre et laisse entrer une quantité de carburant gazeux dans la chambre de détente 11 jusqu'à ce que celle-ci atteigne une pression Ps mesurée par le transmetteur de pression 27. Une fois cette valeur atteinte, le calculateur 33 met fin à l'impulsion électrique et le clapet 17 ferme alors l'alimentation en première pression de la chambre de pilotage 12. Pendant un bref instant transitoire, la pres- sion dans la chambre de détente 11 continue d'augmenter pendant que celle régnant dans la chambre de pilotage 12 diminue en raison de la fuite permanente au travers du canal de purge 29 et de sa restriction 30. Ces forces amènent rapidement à la fermeture du clapet de puissance 25. Ainsi, la pression Ps de sortie du dispositif de régulation 1 dépend de la pression régnant dans la chambre de pilotage 12, et cette pression dépend de la durée T pendant laquelle le clapet 17 est soumis à l'action de l'électro-aimant 18. On obtient ainsi une régulation de la pression de sortie Ps par le pilotage du clapet de commande 17 réalisé par le calculateur dédié 33 sur la base de la mesure de pression fournie par le transmetteur de pression 27. Le calculateur 33 ajuste continuellement la largeur de l'impulsion électrique T commandant l'ouverture de l'électroaimant 18 en fonction de la valeur de la pression mesurée par le transmetteur de pression 27 et corrigée en température. La variation de la durée T de l'impulsion générée par le calculateur 33 per- met donc de réguler la pression de sortie du régulateur 1. Selon un mode de réalisation particulier, le cir- cuit 100 comprend une soupape de sécurité 34 dont le fonctionnement est connu en soi et qui protège le moteur de toute surpression accidentelle. On remarquera que, selon un aspect particulier de l'invention, une ouverture excessive du clapet de puissance 25 par rapport à la consommation va entraîner une augmentation rapide de la pression dans la chambre de dé- tente 11. La pression dans la chambre de détente 11 (sen- siblement égale à la pression détendue) exerce, sur une face de la membrane 10, un effort supérieur à l'effort appliqué par la pression régnant dans la chambre de détente 12 sur l'autre face de cette membrane. Cet effort tend à fermer le clapet de puissance 25. On obtient alors un dispositif régulateur 1 dont la pression de sortie Ps est pilotable en fonction des besoins du véhicule 2 sur lequel il est monté. La régulation électronique permet une précision de régulation te- nant compte de la température du carburant et évite les chutes de pression constatées avec les systèmes de l'art antérieur. Le pilotage de la régulation en PWM offre une bonne fiabilité et autorise des liaisons électriques simples. L'étage de pilotage du dispositif régulateur 1 com- porte un unique clapet de commande 17 et n'occasionne au- cun rejet de gaz vers l'extérieur. Les éléments identiques ou analogues à ceux pré- cédemment décrits porteront une référence numérique identique à ceux-ci dans la description qui suit du second mode de réalisation. En référence à la figure 5, la chambre 9.2 du troisième circuit 50.1 est la seule à être alimentée par un piquage unique 40 réalisé en amont de la chambre de détente 8. La mise à la première pression de la chambre 9.1 s'effectue grâce à un perçage 41 traversant réalisé dans la membrane 16. Ce perçage 41 met en communication fluidique les deux volumes séparés par cette membrane dont les deux faces se retrouvent alors soumises à la première pression du circuit 50. Cet agencement particu- lier permet de réduire les opérations de fabrication et apporte de la compacité au dispositif Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, - bien que les moyens de raccordement à une alimentation sous pression et à un circuit externe soient ici des embouts taraudés 20 et 28, l'invention s'applique également à d'autres moyens de raccordement comme par exemple des embouts filetés, des brides , des embouts sertis autour d'un redan annulaire, une jonction soudée ; - bien que les moyens de mesure de la température soient ici de type résistifs, l'invention s'applique éga- lement à d'autres moyens de mesure de la température comme par exemple des capteurs infrarouge ; - bien que les moyens de mesure de la température soient intégrés au capteur de pression 27, l'invention s'applique également à des moyens de mesure de la tempé- rature distincts implantés sur le conduit de sortie 26 ou plus en aval vers le dispositif d'injection ; - si la précision demandée par le fonctionnement moteur le permet, une mode de réalisation simplifiée est de supprimer la correction en température; de même la ré- gulation électronique de pression est utile même s'il est recherché une pression fixe, la précision étant alors plus économique à obtenir que par les moyens mécaniques de l'art antérieur ; - bien que la chambre d'alimentation 9 et le cla- pet de commande 17 soient ici intégrés au corps 7, la chambre d'alimentation 9 et le clapet de commande de l'alimentation de la chambre de pilotage 12 peuvent être compris dans un ensemble distinct de celui comprenant la chambre de pilotage 12 et simplement fluidiquement relié à celle-ci ; - bien qu'ici, le canal de purge 29 en provenance de la chambre de pilotage 12 débouche dans le conduit 26 en aval de la chambre de détente 11, l'invention s'applique également à un canal de purge débouchant di- rectement dans la chambre de détente 11 ; -bien que dans le second mode de réalisation de l'invention, l'unique chambre du troisième circuit 50.1 alimentée à la première pression soit la chambre 9.2, l'invention s'applique également à l'alimentation unique, à la première pression, de la chambre 9.1. REVENDICATIONS1. Dispositif de régulation (1) à pression de sortie pilotable, pour véhicule (2) à moteur (3) fonctionnant avec un carburant gazeux, comportant, dans un corps uni- que (7) : - un premier circuit (50) à une première pression, comprenant successivement des moyens de raccordement (20) à une alimentation sous pression et une électrovanne (22) de liaison à une chambre d'admission (8) d'un circuit de régulation ; - un deuxième circuit (100) à une deuxième pression inférieure à la première pression, le deuxième circuit (100) comprenant successivement une chambre de détente, (11) un transmetteur de pression (27) et des moyens de raccordement à un circuit externe (28) ; -un clapet de puissance (25) monté pour commander une mise en communication de la chambre d'admission (8) avec la chambre de détente (11), ledit clapet (25) étant lié à une membrane (10) définissant une des parois de la chambre de détente (11) et ayant une première face soumise à la pression du deuxième circuit (100) et une seconde face définissant, avec le corps (7) du dispositif, une chambre de pilotage (12) ; -un canal de purge (29) de la chambre de pilotage (12); -un troisième circuit (50.1) comprenant un piquage sur le premier circuit (50) et une chambre d'alimentation (9), à la première pression, de la chambre de pilotage (12) comprenant un clapet de commande (17) qui est soli- daire d'une membrane (16) s'étendant dans la chambre d'alimentation (9) et qui est associé à un actionneur électrique (18) pour commander l'alimentation de la chambre de pilotage (12). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequella membrane (16) s'étendant dans la chambre d'alimentation (9) de la chambre de pilotage (12) est soumise sur ses deux faces à la première pression. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la membrane (16) comprend un perçage (41) traversant. 4. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un électroaimant (18) et un élément ferromagnétique (17.1) relié fonctionnellement au clapet de commande (17) pour qu'un changement d'état électrique de l'électroaimant (18) provoque une modification de la dis- tance séparant l'électroaimant (18) de l'élément ferromagnétique (17.1) et faisant passer le clapet de commande 17 entre une première position et une deuxième position, l'une des deux positions correspondant à l'ouverture de l'alimentation à la première pression de la chambre de pilotage (12) et l'autre position correspondant à une fermeture de cette alimentation. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l'élément ferromagnétique (17.1) est surmoulé dans la membrane (16) s'étendant dans la chambre d'alimentation (9) en haute pression de la chambre de pilotage (12) de la régulation. 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le canal de purge (29) est constamment ouvert. 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le canal de purge (29) comprend une restriction (30). 8. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le canal de purge (29) débouche dans le second circuit (100) en aval de la chambre de détente (11). 9. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'électrovanne d'entrée (22) est une électrovanne normalement fermée à deux étages. 10. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le clapet de puissance (25) est agencé de façon à ce qu'une ouverture excessive de clapet (25) provoque unesurpression tendant à la fermeture de celui-ci. 11. Dispositif selon la revendication 1, comprenant une soupape de sécurité (34) sur le deuxième circuit (100). 12. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un transmetteur de pression (31) sur le premier circuit (50). 13. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un filtre (21) situé en amont de l'électrovanne (22). 14. Dispositif selon la revendication 1, comprenant des moyens de mesure de la température (32) du gaz en circulation. 15. Ensemble de régulation comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dont le transmetteur de pression (27) du second circuit et les moyens de mesure de température (32) sont liés à un calculateur (33) déterminant un signal électrique de pilotage envoyé à la commande d'alimentation en haute pression (18) de la chambre de pilotage (12) de la régu- lation. 16. Ensemble selon la revendication 15, dans lequel le signal électrique est généré par modulation de la largeur d'impulsion du signal. 17. Ensemble selon la revendication 16, dans lequel le signal électrique est un signal tout ou rien. 18. Ensemble selon l'une des revendications 15 à 17 monté en aval d'un détendeur (5) de GNV et alimentant au moins un injecteur de carburant. 19. Véhicule (2) comprenant un moteur (3) comportant un système d'injection de carburant gazeux alimenté par un réservoir de carburant gazeux à haute pression, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 14 monté en aval d'un détendeur (5) de carburant gazeux monté sur le ré- servoir (6) et relié par une canalisation (4) à ladeuxième pression à un dispositif d'injection.