Procédé et dispositif d'injection d'un combustible liquide dans un moteur à combustion interne
La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'injection d'un combustible liquide dans un moteur à combustion interne avec régulation automatique du volume injecté en fonction inverse de la vitesse du moteur au-dessus d'une vitesse prédéterminée.
Jusqu'ici, les systèmes d'injection du combustible liquide dans les moteurs, notamment dans les moteurs
Diesel, comprenaient une pompe doseuse haute pression associée à un régulateur. Dans le type de pompe le plus connu, le piston présente une arête hélicoïdale découvrant plus ou moins la lumière d'aspiration suivant la position angulaire dudit piston, et cette position angulaire peut être modifiée au moyen d'une commande à crémaillère ou analogue. Le régulateur agit sur cette crémaillère pour ramener, en cas de variation de vitesse du moteur, la quantité de combustible injecté à la quantité correspondant à la vitesse prédéterminée choisie.
Ces ensembles connus pompe d'injection-régulateur sont des appareils coûteux et leur prix est proportionnellement d'autant plus important que la puissance du moteur est faible, ce qui contrarie le développement des moteurs
Diesel de faible puissance.
Le procédé d'injection, qui fait l'objet de l'invention, est caractérisé en ce que l'on freine statiquement le débit d'aspiration de la pompe d'injection dudit moteur entraînée par ledit moteur et en ce que l'on refoule vers l'injecteur dudit moteur une partie seulement du volume de combustible aspiré dans ladite pompe au-dessus de ladite vitesse prédéterminée.
L'invention vise également un dispositif d'injection autorégulateur pour la mise en oeuvre de ce procédé pour l'alimentation en combustible liquide d'un moteur à combustion interne, qui comprend une pompe à piston entraînée par ledit moteur, l'orifice d'aspiration de ladite pompe étant raccordé par une canalisation à un réservoir de combustible tandis que son orifice de refoulement, contrôlé par une soupape, est raccordé à l'injecteur d'un cylindre dudit moteur, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la cylindrée de ladite pompe est largement supérieure au volume dudit combustible à envoyer dans ledit cylindre du moteur à chaque injection,
en ce que la canalisation d'aspiration de ladite pompe comporte un passage de section calibrée limitant le débit d'aspiration et en ce que ladite pompe comporte des moyens de mise en communication du cylindre de ladite pompe avec une zone à basse pression pendant la majeure partie du cycle de refoulement de ladite pompe, et au moins dans la partie voisine de la fin dudit cycle, lesdits moyens interrompant ladite communication pour le refoulement dudit combustible vers ledit injecteur, au moins pendant une partie intermédiaire réduite dudit cycle de la pompe.
Le dessin annexé représente à titre d'exemples plusieurs formes d'exécution et variantes du dispositif qui fait l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique en élévation et partiellement en coupe d'un dispositif autorégulateur d'injection de combustible liquide dans un moteur à combustion interne.
La fig. 2 représente en élévation une variante de came de commande de soupape.
La fig. 3 est une vue partielle d'un dispositif d'injection à pompe comportant une soupape commandée unique pour l'aspiration et le refoulement vers la zone basse pression.
La fig. 4 représente en élévation et partiellement en coupe une variante de pompe de dispositif d'injection dans laquelle le piston sert de tiroir distributeur.
La fig. 5 est une vue en coupe partielle du circuit d'aspiration d'une pompe de dispositif d'injection à système de mise au ralenti du moteur.
La fig. 6 est une vue en coupe d'une autre forme d'exécution dans laquelle deux pistons de pompe travaillent en parallèle.
La fig. 7 représente le profil développé des cames de la pompe de la fig. 6.
La tig. 8 est une variante de la forme d'exécution de la fig. 6 dans laquelle le piston de petit diamètre coulisse à linténeur même du piston de grand diamètre.
Dans la forme d'exécution schématiquement représentée sur la fig. 1, la pompe d'injection comprend un cylindre 2 dans lequel coulisse un piston 4 entraîné par une bielle 6 attelée à une manivelle 8 dont l'arbre 26 est lié à l'arbre du moteur. Le cylindre 2 est percé d'un orifice d'aspiration 10, d'un orifice 12 de refoulement vers l'injecteur et d'un orifice 14 de refoulement vers une zone à basse pression ou bâche. L'orifice 10 est raccordé, par l'intermédiaire d'une soupape d'aspiration 16, à un réservoir de combustible 18, tandis que l'orifice 12 est raccordé à l'injecteur 13 par l'intermédiaire d'une soupape de refoulement 20 dont le clapet est maintenu sur son siège par un ressort 22.
Le cylindre 2 est monté sur un carter 24 supportant les paliers de l'arbre 26 de la manivelle 8.
Conformément à l'invention, la cylindrée de la pompe est plusieurs fois supérieure, par exemple trois à dlx fols, au volume de combustible qui doit être envoyé dans le cylindre 15 du moteur 17 à chaque injection. D autre part, la canalisation d'aspiration est pourvue d'un étranglement 28 qui freine le débit du combustible à l'aspiration.
Enfin, l'orifice de refoulement 14 vers la bâche est muni d'une soupape commandée 30 mettant en communication la chambre de la pompe avec la bâche pendant la partie extrême III de la course de refoulement du piston tandis que pendant la partie réduite intermédiaire II de cette course de refoulement ainsi que pendant la course d'aspiration cette communication n'est pas établie.
Le clapet 40 de la soupape 30 est commandé par une came 32 entraînée en rotation par l'arbre 26 par l'intermédiaire d'un couple d'engrenage de rapport 1/1 34-36, cette came coopérant avec une tige 38 adaptée à soulever le clapet 40 à l'encontre d'un ressort 42.
La came comporte un bossage 44 produisant l'ouverture du clapet 40 dans la partie III de la course de refoulement du piston.
Le piston 4 comporte une gorge 46 qui se trouve toujours en regard d'un orifice 48 ménagé dans le cylindre et raccordé par une canalisation 50 au réservoir de combustible 18 de façon à établir autour du piston un joint annulaire liquide empêchant toute entrée d'air.
Le fonctionnement d'un tel système d'injection est le suivant: la section du passage calibré d'aspiration 28 est choisie de façon que, à la vitesse prédéterminée N1 du moteur, le volume V de combustible aspiré à chaque course complète d'aspiration du piston soit égal au volume engendré par le déplacement du piston dans les zones II et III de sa course définie précédemment, c'està-dire que le volume V est inférieur à la cylindrée de la pompe.
Au point mort bas du piston, le cylindre de la pompe se trouve donc en dépression. La première partie I de la course de refoulement sert seulement à ramener la pression dans le cylindre à une valeur voisine de la pression atmosphérique et surtout à donner une grande vitesse de translation au piston. Dans la zone II de sa course de refoulement, le piston fait monter la pression du combustible à la valeur nécessaire pour l'injection et injecte dans le moteur un volume v de combustible correspondant à la dose nécessaire à chaque cycle au régime fixé du moteur.
Puis la came 44 ouvre la soupape 30; le clapet de refoulement vers l'injecteur 20 retombe, ce qui mterrompt l'injection tandis que le volume de combustable excedentalre correspondant au volume engendré par le piston dans la zone III est refoulé vers la bâche par la canalisation 52 (qui fait de préférence retour au réservoir 18). Pour la vitesse N1 du moteur, chaque cylindre reçoit donc une dose constante v de combustible.
Si la vitesse du moteur augmente, le temps d'aspiration de la pompe est plus réduit et il ne pénetre dans le cylindre de la pompe qu'un volume V' < V si bien que lorsque le piston atteint la zone II pendant la course de refoulement, la pression ÉItmosphénque n'est pas encore rétablie dans le cylindre. Le piston utilise ainsi une partie de la zone Il de sa course pour rétablir d'abord cette pression et ne refoule vers l'injecteur à la pression d in- rection que pendant une partie de cette zone, c'est-à-dire que la dose refoulée dans ce cas vers l'injecteur est infé fleure à la dose précédente v et que le moteur ralentit.
Le volume introduit dans la pompe étant inversement proportionnel à la vitesse N du moteur, on voit que l'injection nulle est atteinte pour une vitesse N2 telle que:
N2 - N1 v Volume de la zone Il
N2 V Volume des zones Il + III
Si donc la partie active Il de la course de refoulement est le I des zones de refoulement Il et lll, l'injection sera nulle pour une vitesse supérieure de 10 /o à Ni.
Suivant le mode de réalisation qui vient d'être décrit on aura, inversement, une augmentation de la quantité de combustible injectée si le moteur ralentit au-dessous de la vitesse N1, la quantité maximale injectée pouvant correspondre au volume des zones I et 11. Cette possi bilité ne se présente qu'au démarrage ou en cas de surcharge du moteur et cette injection dépassant la dose normale peut présenter des inconvénients pour la longévité du moteur, aussi, pour certaines applications, il est avantageux que l'injection reste constante pour toutes les vitesses inférieures ou égales à la vitesse N1( ce qui supprime tout risque de surcharge du moteur) et que la régulation ne commence qu'au-delà de cette vitesse N1.
Ce résultat peut être obtenu, dans le mode de réalisation de la fig. 1, si la soupape 30 est commandée de façon à être ouverte également dans la zone I de la course de refoulement. On peut utiliser dans ce cas une came 32' (fig. 2) comportant un second bossage 44', si bien que le refoulement vers l'injecteur ne peut avoir lieu que dans la zone intermédiaire Il où le piston engendre le volume choisi v.
Suivant la forme d'exécution représentée partiellement sur la fig. 3, on peut combiner la soupape d'aspiration 16 et la soupape 30 de refoulement vers la zone basse pression en une seule soupape commandée 33 interposée
entre une lumière 10' du cylindre 2 et le réservoir 18. Le gicleur calibré 28 est alors disposé dans la canalisation
reliant le réservoir à la lumière 10'. Le clapet 35 de la soupape 33 est alors commandé, à l'encontre d'un res
sort 39, par une came 37 agencée de façon que cette soupape ne se ferme que pendant la partie active II de la
course de refoulement du piston 4. Pendant le reste de la course de refoulement, le combustible en excédent est renvoyé vers le réservoir 18 pour être à nouveau introduit
dans le cylindre de la pompe à la course d'aspiration
suivante (partie IV de la came 37).
Ceci présente l'avantage de supprimer l'une des soupapes et de faciliter le
problème des temps de fermeture des clapets.
Il peut être désirable, au moment du démarrage à froid, de pouvoir noyer le moteur, c'est-à-dire de pouvoir lui injecter une dose de combustible très supérieure à la dose normale v correspondant au volume engendré par le déplacement du piston dans la zone II. On peut, pour obtenir ce résultat, autoriser temporairement le refoulement vers l'injecteur de tout ou partie du volume de combustible contenu dans la zone III du cylindre au lieu de le refouler vers l'enceinte à basse pression. Il suffit de disposer sur la conduite 52 (fig. 1) une vanne à commande manuelle (non représentée) dont la fermeture temporaire, au moment du démarrage, annule l'ouverture commandée de la soupape 30.
Pour interrompre complètement l'injection, lorsqu'on veut arrêter le moteur, il suffit d'empêcher la soupape 30 (fig. 1) ou 33 (fig. 3) de se refermer, au moyen d'une fourchette 41 ou organe analogue commandé manuellement qui peut venir porter contre une butée 43 fixée à la tige de commande 38 de la soupape.
Dans la variante de la fig. 4 le piston est attelé à l'arbre d'entraînement 26 par un excentrique 54 et la mise en communication du cylindre 2 de la pompe avec la zone à basse pression (constitué par le réservoir 18) est établie, dans les zones I et III de la course de refoulement, par le piston 4' lui-même qui masque ou démasque la lumière d'aspiration 10.
Le piston 4' comporte également une gorge 46 établissant un anneau liquide d'étanchéité et en plus une gorge 56 ne laissant subsister qu'une tête de piston 58 de nauteur réduite qui peut masquer ou démasquer la lumière d'aspiration 10.
Une communication est établie entre la zone annulaire formée par la gorge 56 et la chambre 60 de la pompe, au moyen d'un double perçage axlal et radial 62 dans la tête de piston ou par des canaux ménagés dans le cylindre.
Le gicleur 28 est calibré pour que, à la fin de la course d'aspiration du piston 4' (positlon représentée sur la fig. 4) et à la vitesse Nt du moteur, le volume V de combustible introduit dans le cylindre de la pompe soit égal au volume engendré par le déplacement du piston dans les zones II et III.
La zone I de la course de refoulement est encore ici une course perdue ayant pour but de mettre le piston 4' en vitesse et de rétablir la pression atmosphérique dans la chambre 60. Lorsque la tête du piston atteint le bas de la zone II de refoulement vers l'injecteur, l'épaulement 58 du piston masque la lumière d'aspiration 10 si bien que la chambre 60 (ainsi que ie volume de la gorge annulaire forment un espace clos où la pression monte jusqu'à soulever le clapet de la soupape de refoulement 20 vers l'injecteur. La dose v de combustible est ainsi injectée sous pression pendant toute la partie II de la course de refoulement où la lumière d'aspiration est fermée.
Dès que le bord inférieur de l'épaulement 58 découvre la lumière 10, la communication est établie, par les canaux 62 et la gorge 56, entre la chambre 60 et le réservoir de combustible 18 à basse pression où l'excédent de combustible contenu dans la chambre 60 est refoulé au cours de la partie III de la course de refoulement du piston.
Si la vitesse du moteur augmente, le volume de combustible introduit dans la pompe devient inférieur au volume V précédent par suite du freinage du débit par le gicleur 28, si bien que le volume de combustible refoulé vers l'injecteur dans la partie active II de la course diminue également, mais dans une proportion beaucoup plus forte, ce qui ramène le moteur à sa vitesse prédéterminée N1.
L'injection demeure ainsi constante jusqu'à la vitesse
N1 puis décroît au-dessus de cette vitesse jusqu'à s'annuler pour une vitesse N3 telle que:
N2 - N1 - v Course II
N1 V Course Il + III
On dispose sur la canalisation 64 raccordant le réservoir 18 au cylindre 2 de la pompe un organe de réglage de débit, constitué ici par un robinet pointeau 66 (fig. 5), avec, en parallèle sur l'ensemble du pointeau 66 et du gicleur 28, une canalisation dérivée 68 pourvue d'un gicleur 70 plus fin que le gicleur 28 et qui sert de gicleur de ralenti. En marche normale à la vitesse N1, le pointeau 66 est ouvert si bien que le débit d'aspiration de la pompe est limité par les deux gicleurs en parallèle 28 et 70.
Si on ferme le pointeau 66, tout écoulement de combustible par le gicleur 28 est arrêté et la régulation de l'aspiration est faite uniquement par le gicleur fin 70 calibré pour la marche du moteur, à une vitesse de ralenti n1.
Pour les positions intermédiaires entre la pleine ouverture et la fermeture complète du pointeau 66, on obtient toutes les vitesses du moteur comprises entre N1 et ng, avec régulation automatique de l'injection à chaque position du pointeau.
Dans ces formes d'exécution où la pompe ne comporte qu'un seul piston par injecteur à alimenter, ce piston unique doit avoir un rapport course/alésage élevé V dans le cas où l'on choisit un rapport grand (par
v exemple de l'ordre de 10) dans le but de passer de la pleine injection à l'injection nulle pour un accroissement de vitesse relativement faible (par exemple d'environ 10 /o).
Dans la forme d'exécution représentée sur la fig. 6, la pompe comporte deux pistons 74' et 82' dont les deux chambres 60' et 84' sont reliées en parallèle par une canalisation 100 et sont en communicatlon avec la canalisation 64 d'arrivée de combustible (par l'intermédiaire d'un orifice calibré 28) ainsi qu'avec la canalisation de refoulement 102 vers l'injecteur (par l'intermédiaire du clapet de refoulement 20).
Le cylindre de grand diamètre 102 dans lequel coulisse le piston 74' et le cylindre de petit diamètre 80' dans lequel coulisse le piston 82' sont percés côte à côte dans un même corps de pompe 104 qui est enveloppé par une culasse 106 fermant les fonds de cylindre, ces deux éléments étant assemblés l'un à l'autre de façon étanche au moyen de vis 108 et de joints 110. La surface latérale extérieure du corps de pompe 104 est creusée d'une gorge 112 qui communique avec l'arrivée de combustible 64 percée dans la culasse 106 ainsi qu'avec le gicleur 28 et les canalisations 48-48' qui alimentent respectivement les anneaux liquides d'étanchéité 46-46' des deux pistons 74' et 82'. Bien entendu, on peut prévoir sur l'un ou sur les deux pistons d'autres anneaux liquides d'étanchéité, notamment des anneaux liquides alimentés par de l'huile.
La partie supérieure du piston 82' est percée d'un canal 62 et est creusée d'une gorge 56' de façon à jouer un rôle obturateur, vis-à-vis du gicleur 28.
Le piston 74' est actionné, à l'encontre d'un ressort de rappel 114 prenant appui, d'une part, contre le corps de pompe et, d'autre part, contre un épaulement 116 du piston, par une came 118 qui coopère avec un galet 120 monté au pied du piston.
De même le piston 82' est actionné, à l'encontre d'un ressort de rappel 122, par une came 124 qui coopère avec un galet 126 monté au pied d'un poussoir 128. Ce poussoir 128 coulisse dans un alésage ménagé dans le corps de pompe 104 et pousse le piston 82' par l'inter médiaire d'une bille 130.
Les deux cames 118 et 124 sont portées par un arbre de pompe commun 132, mais le profil des deux cames est différent car le mouvement des deux pistons n'est pas synchronisé.
Le volume engendré par le déplacement du petit piston 82' dans la zone intermédiaire de sa course de refoulement (c'est-à-dire dans la zone où l'épaulement supérieur de ce piston masque le gicleur 28) est égal au volume de la dose de combustible injectée à pleine injection et le rôle du gros piston 74' consiste simplement à aspirer et refouler la majeure partie du volume V de combustible (variable en fonction de la vitesse) qui sert à effectuer la régulation grâce à la présence du limiteur de débit 28. Si les deux pistons ont des courses sensiblement égales, on peut donner au piston 74' un diamètre trois à quatre fois supérieur à celui du piston 82 si l'on désire que l'injection soit nulle pour une vitesse supérieure d'environ 10 O/o à la vitesse choisie.
Pendant la première partie du cycle de refoulement de la pompe, le grand piston est immobile au point bas tandis que le petit piston remonte sous l'effet de sa came.
Dés que le haut du petit piston masque le gicleur 28, le volume constitué par les chambres 60', 84' et par la canalisation 100 est complètement clos si bien que la pression soulève le clapet de la valve de refoulement 20 et que la dose de combustible v est refoulée à la pression voulue vers la canalisation 102 et l'injecteur. A la fin de l'injection, la gorge 56' du piston 82' vient en regard du gicleur 28, ce qui met à la basse pression le volume 60' 84'- 100 et fait retomber le clapet 22. Le piston 74' peut alors commencer sa course de refoulement et les deux pistons, jusqu'à leur point mort haut, chassent vers la zone à basse pression le réservoir relié à la canalisation 64, le volume de combustible excédentaire contenu dans le corps de pompe.
Au cycle d'aspiration de la pompe, les deux pistons rappelés par leur ressort descendent en même temps et l'on voit que, si la vitesse de l'arbre à cames 132 dépasse la vitesse choisie et par conséquent si la durée du cycle d'aspiration est inférieure à la durée normale, le volume de combustible introduit dans la pompe sera inférieur au volume normal, ce qui fait que, au cycle de refoulement suivant, le petit piston ne commencera à refouler effectivement vers l'injecteur qu'un certain temps après la fermeture du gicleur 28. Le gros piston crée ainsi à l'aspiration un vide plus ou moins important, suivant la vitesse, dans la chambre de la pompe.
Les profils développés des deux cames 118 et 124 sont
représentés sur la fig. 7, le point mort bas correspondant à l'origine marquée O et la zone d'injection étant mar
quée II sur le profil de la came 124. De nombreux autres profils de cames pourraient être utilisés.
La forme d'exécution représentée sur la fig. 8 est une
variante de la fig. 6 dans laquelle le petit piston 82", au lieu de coulisser dans un cylindre ménagé dans le corps
de pompe, coulisse dans un alésage 134 percé dans le grand piston 74" lui-même. La chambre de compression
136 est ainsi commune aux deux étages de la pompe.
Le fonctionnement est absolument identique au précédent, mais le gicleur 28', qui est masqué et démasqué par le petit piston, est porté par le grand piston, et ce gicleur mobile doit être alimenté en combustible par des canalisations et joints coulissants tels que 64-112-138140-142.
La partie étranglée 28' elle-même peut être située en un point quelconque de ces canalisations, par exemple sur 138 ou 142, puisqu'il s'agit seulement de faire déboucher, à l'intérieur du cylindre 134, une lumière qui peut être masquée ou démasquée par le petit piston 82".
Le petit piston est actionné par un poussoir 128' à l'encontre d'un ressort de rappel 122', mais ce poussoir comporte un épaulement 144 qui vient coopérer, après une certaine partie de la course de refoulement, avec le pied 146 du grand piston 74" si bien que, dans la dernière partie du cycle de refoulement, les deux pistons se déplacent d'un bloc. Le poussoir 128' peut être actionné par une came, par un excentrique ou encore par l'intermédiaire d'un culbuteur 148 commandé de façon appropriée.
Dans le cas où le poussoir 128' lui-même, ou bien le culbuteur 148, est actionné par une came, on peut choisir le profil de cette dernière de façon à provoquer un ralentissement de la vitesse du poussoir, et par conséquent du petit piston, au moment où l'épaulement 144 vient en contact avec le pied 146 du grand piston, si bien que l'accouplement des deux pistons se fait sans choc.
Ces pompes autorégulatrices alimentent un seul injecteur, pour un moteur monocylindrique, plusieurs pompes identiques peuvent être associées pour alimenter en combustible les injecteurs d'un moteur à plusieurs cylindres.