FR2768463A1 - Procede d'injection indirecte de gaz carburant et de regulation de pression pour moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

Cette invention décrit un procédé d'injection de gaz carburant pour moteurs à combustion interne mono ou multi-cylindres, comprenant un vapodétendeur régulateur de pression à pression variable, le contrôleur permanent de débit pour alimenter le carburant depuis le vapodétendeur régulateur de pression jusqu'aux pipes d'admission des cylindres, ainsi que des injecteurs spécifiques munis de clapets anti-aspiration automatiques pouvant recevoir des commandes forcées et d'un profilé de diffusion de carburant.

Description

PROCEDE D'INJECTION INDIRECTE DE GAZ
CARBURANT ET DE REGULATION DE PRESSION POUR
MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
1 / Cette invention décrit un procédé d'injection de gaz carburant pour moteurs à combustion interne mono ou multi-cylindres, comprenant un vapodétendeur régulateur de pression à pression variable ainsi que le contrôleur permanent de débit pour alimenter le carburant depuis le vapodétendeur régulateur de pression jusqu'aux pipes d'admission des cylindres. Un tel procédé est connu d'une application Allemande réf. : 8.660.611 ainsi que d'une application Hollandaise réf. :PCTINL91100267.
lII Sur le système Allemand, il y avait de nombreuses têtes connectées d'un côté au tuyau d'admission principal alimenté depuis le contrôleur de débit, et de l'autre côté à chaque pipe d'admission de chaque cylindre. Une valve de régulation de pression dont le but est de maintenir la pression en amont de la valve indépendante de la pression en aval de celle-ci. II en existe aussi une entre le distributeur et toutes les têtes.

11101 Ce système à divers désavantages. Bien que la pression de référence de la soupape employé ici protège la partie basse de la pipe d'admission, en amont de laquelle se font les brusques variations de pression dans les branches multiples du collecteur d'admission du moteur, des problèmes de réponse peuvent encore survenir, résultant de pression d'égalisation dans la partie de la pipe située entre le piquage de la pression réglant la soupape et les branches multiples du collecteur.

IV / Il est aussi très difficile d'alimenter tous les cylindres uniformément.

L'alimentation du cylindre le plus loin des têtes est souvent pauvre que celui le plus proche.

V01 Avec le système Hollandais, chaque cylindre est maintenant approvisionné directement par son doseur propre. Les pipes d'admission pour tout cylindre peuvent conséquemment être tenues séparées de telle sorte que la faveur d'un cylindre sur l'autre peut largement être évitée.

Vl / De même, la ligne entière d'approvisionnement, partant de l'élément de dosage au collecteur du cylindre en question, n'est pas concernée par la fluctuation de pression dans le collecteur. L'injection de carburant se faisant de manière tangentielle, I'homogénéité du mélange n'est pas toujours assurée.

VIl0! L'objet de l'invention est donc de fournir un dispositif du type décrit ci-dessus sans les inconvénients présentés par les systèmes existant, et offrant des performances de réaction et de dosage nettement supérieures, tout en diminuant de manière sensible la pollution crée par ce type de moteur. Ceci est réalisé par des mesures ainsi des dosages séparés, cylindre par cylindre, et par une injection de carburant dans toute la section de la veine d'air alimentant le cylindre concemé. Chaque doseur alimente un cylindre unique par l'intermédiaire d'un injecteur spécifique, au plus près des soupapes du cylindre dit, en assurant un mélange homogène dans toute la veine d'air, contrairement aux systèmes déjà existant. Le système fonctionne en pression variable entre le doseur et le dit collecteur.

Vl11 l Le vapo-détendeur à pression variable est composé d'un système classique de détente de gaz à deux étages. La particularité de celui-ci est d'avoir deux cuves de premier étage, la première servant à réguler la pression de premier étage proprement dite, la seconde servant à calibrer la quantité de gaz carburant nécessaire pour obtenir la pression exacte demandée par la carte électronique dans les circuits de dosage et d'alimentation en carburant du moteur.

Ce vapo-détendeur est muni d'un pilote pneumatique à membrane destiné à conserver stable la pression calculée par le microprocesseur de la carte de gestion. Un actuateur corrige chaque fois que nécessaire la pression de référence du pilote pneumatique pour l'ajuster à la demande du moteur. Deux électrovannes intègrent ce vapbdétendeur, une pour la coupure générale de carburant en amont de tout le système, L'autre pour isoler le pilote de la pression du premier étage, ce qui à pour effet de faire chuter la pression d'alimentation en carburant du moteur.

La base de ce vapo-détendeur n'apporte rien d'inédit en elle même, seul le pilote est tout à fait nouveau. En effet il peut assurer une pression de sortie stable quelque soit le débit du vapodétendeur, tout en étant capable d'effectuer des variation de pression rapides et précises sur un ordre du microprocesseur, puis de maintenir seul sans l'aide de l'électronique la nouvelle pression dans les memes conditions que précédemment. Ce résultat est obtenu par un contrôle électronique du ressort de tarage du pilote. Dans certaines applications, la pression absolue du collecteur d'admission sera utilisée comme facteur supplémentaire de correction de pression.

IX / Les moyens de dosage peuvent être conçus de diverses manières, selon un principe relativement simple de fentes de formes variables démasquées en plus ou moins grande partie en fonction de la quantité de carburant nécessaire pour faire fonctionner le moteur dans des conditions optimums. Ces fentes ne comportent aucunes parties droites, pour refléter la courbe de consommation d'un moteur thermique. Ces fentes pourront avantageusement être remplacées par deux masques, identiques ou non coulissant l'un sur l'autre. Provision est faite pour les moyens de dosage d'avoir, en lieu et place de fentes et de masques, des éléments de forme coniques ou similaire, pénétrant dans des orifices calibrés, de manière à faire varier la section de passage utile, et donc la quantité de carburant admise.

Ces doseurs sont en général pilotés chacun par un actuateur distinct, de sorte que chaque cylindre puisse avoir sa quantité de carburant propre, et indépendante de celle des autres cylindres du moteur. Cependant, pour certains types de moteur, il est extrêmement difficile d'obtenir une mesure précise de la combustion cylindre par cylindre. II sera donc nécessaire dans ce cas d'effectuer une mesure globale et d'avoir une synchronisation des doseurs, mécanique ou électronique. C'est dans ce but qu'est conçu un doseur multiple reprenant les principes énumérés ci-dessus.

X l Pour un moteur à combustion interne, la quantité de carburant consommée varie grossièrement avec le produit de deux paramètre: la charge du moteur et la vitesse de la rotation de celui-ci. Tous les moyens d'asservissement ou de dosages de carburant connus et existant utilisent ces paramètres, ce système les utilise aussi.

Xl / Une carte de gestion électronique mesure en permanence les éléments de base afin de calculer la position optimum d'un ou plusieurs actuateurs, commandant les doseurs de carburants. La base de ce calcul est établie sur la charge du moteur, corrigée par divers paramètres tels que:
La vitesse de rotation du moteur.

Le pourcentage de carburant dans le comburant (résultat de
combustion).

La position du volet d'accélérateur.

La température du vapodétendeur.

Certaines informations venant d'autres centre de gestion
embarqués tels que le calculateur de boite de vitesse ou de
caisse.

En général, tout signaux connus et obligatoires pour une bonne
gestion du carburant.

XR / La particularité de ce système est d'être capable de reconnaître et d'exploiter un ou plusieurs signaux de sortie émanant de centrales déjà installées pour la gestion d'éléments ne concernant pas directement la quantité de gaz carburant à injecter. Cette caractéristique permet au système de ne pas multiplier inutilement les connections existantes en exploitant les résultats de calculs spécifiques déjà effectués par d'autres unités. Ceci permet une économie de main d'oeuvre non négligeable l'ors de la pose du système, ainsi que l'assurance du respect des paramètres de gestion prévus par le constructeur du véhicule.

Xl11 / Le processeur emploie la charge du moteur comme base de calcul. toutefois cette information n'est pas suffisante pour doser de manière précise la quantité de carburant. II est donc nécessaire de faire une correction en fonction de la vitesse de rotation, et pour certains types de moteur de tenir compte d'autres paramètres comme la température du liquide de refroidissement, la position du volet d'accélérateur, la température et pression ambiante, le signal venant de la sonde à oxygène, ou tout autre caractéristiques que pourrait contrôler les diverses unités de contrôle d'origine.

XIV / Pour faire fonctionner correctement un système d'injection indirecte de carburant, il est obligatoire d'isoler la partie amont de l'injecteur de la dépression régnant dans le collecteur d'admission, de manière à ce que le carburant ne puisse à aucun moment être aspiré par le moteur. Pour obtenir ce résultat, un système de clapet commandé doit être installé. L'ouverture de ce clapet (injecteur) peut être réalisée par une énergie annexe, électrique, pneumatique, ou hydraulique, ou tout simplement par variation de la pression d'alimentation du carburant traversant ce clapet. Cette dernière solution a été retenue.

XV"I Un plan d'ensemble ci-après (figure 9) montre le système.

L'injecteur est installé en série dans conduit d'alimentation du cylindre concerné, dosant ainsi la totalité du carburant de chaque cylindres. II existe en général un injecteur par cylindre (injection multipoints), toutefois, pour certains moteurs, il est possible de n'installer qu'un seul injecteur judicieusement disposé et alimentant tous les cylindres (injection monopoint). Cet injecteur est formé d'un tube plat souple pouvant s'écarter sous une pression faible, laissant ainsi passer le fluide sous pression voulant le traverser. Inversement, ce tube plat se referme à la moindre aspiration, jouant ainsi son rôle de clapet anti-aspiration.

Le carburant sous forme gazeuse est introduit en pression dans l'orifice amont de l'injecteur, tandis que l'orifice aval (nez d'injecteur) est soumis à la dépression du collecteur d'admission. Le carburant ne peut donc passer que lorsque la pression en amont du système est telle qu'elle arrive à vaincre la force de fermeture engendrée par la dépression du collecteur. L'ensemble du système peut être mis dans un carter de protection dont le rôle peut aussi être de collecter les fuites éventuelles de carburant.

Une force supplémentaire peut être exercée (radialement par exemple), de telle sorte qu'il soit possible de commander une fermeture forcée de l'injecteur pour réaliser des coupures de carburant chaque fois que nécessaire (coupure à la décélération, aux changement de vitesse, par sécurité, etc...).

XVI I Le nez de l'injecteur est fixé sur le collecteur d'admission, en aval du volet d'accélérateur, et en général au plus prés des soupapes d'admission.

La partie pénétrant à l'intérieur de la pipe d'admission est muni d'un profil creux traversant celle-ci. Ce profil creux est fendu sur tout ou partie de sa longueur afin de répartir le gaz carburant de manière uniforme dans toute la section de la pipe d'admission de telle sorte que le mélange admis en combustion dans les cylindres soit le plus homogène possible. La ou les fentes citées plus haut pourront être orientées différemment selon les moteurs ou remplacées par une série de trous sans que pour autant la paternité du système soit remise en question. Chaque injecteur peut être accouplé directement à un organe de dosage afin de réaliser un injecteur / doseur.

L'invention est décrite en détail ci-après sur la base d'exemple personnalisés décrits par les figures en annexe.

La figure 1 montre une coupe du vapodétendeur dans l'axe des deux cuves de détente.

La figure 2 montre une vue de dessus du détendeur complètement équipé.

La figure 3 montre une vue en coupe du système de pilotage de la pression variable régulée.

La figure 4 montre un système de dosage complet en action partielle.

La figure 5 montre une personnalisation d'une calibre de dosage, le profil
P étant dans le cas présent un arc de cercle
La figure 6 montre un masque d'obturation de la calibre de dosage. La côte Y est la même que celle du calibre de dosage.

La figure 7a montre une vue d'une première personnalisation du dispositif d'injection avec clapet anti-aspiration.

La figure 7b montre une vue d'une deuxième personnalisation du dispositif d'injection avec clapet anti-aspiration.

La figure 7c montre une vue d'une troisième personnalisation du dispositif d'injection avec clapet anti-aspiration.

La figure 7; d montre une vue d'une quatrième personnalisation du dispositif d'injection avec clapet anti-aspiration.

La figure 8 montre un cône prévu pour un autre système de dosage décrit page2,4.

La figure 9 montre un schéma général de fonctionnement.

DESCRIPTIF DE FONCTIONNEMENT
Les figures 1, 2 et 3 montrent respectivement une vue en coupe des cuves principales du vapodétendeur à pression variable, une vue générale de dessus et une vue en coupe du pilote. Le gaz carburant arrive sous forme liquide depuis l'électrovanne principale de coupure (repère 9) au clapet de régulation de pression intermédiaire (repère 1). Sous l'effet de cette pression, la membrane de régulation (repère 2) se soulève, entraînant avec elle le clapet (repère 1) pour fermer l'arrivée de GPLc. La pression dans les deux cuves principales est fonction du tarage du ressort (repère 3).

Les deux cuves principales communiquent entre elles par une canalisation représentée sur le plan. La membrane de la deuxième cuve (repère 4) est percée d'un trou calibré (repère 5). Le GPLc, dont la pression de première détente est régulée à la valeur voulue, fuit à travers cet orifice en quantité connue jusqu'à équilibre de pression de part et d'autre de cette membrane. Un ressort (repère 6) de faible force oblige la membrane à rester positionnée sur son siège. Une canalisation interne relie la partie supérieure de la deuxième cuve avec celle du pilote. L'électrovanne (repère 7) permet d'interrompre cette liaison dans certains cas, notamment lorsque le système est au repos.

Lorsque l'électrovanne (repère 7) est ouverte, la pression est transmise au clapet du pilote (repère 15) relié à la membrane (repère 14). La cuve du pilote est en communication avec la sortie utilisation du vapodétendeur. Le microprocesseur détermine la pression instantanée et transmet un ordre de tarage du ressort (repère 13) à l'actuateur (repère 8). La pression de sortie est lue en permanence par le microprocesseur qui peut donc corriger en temps réel le tarage du ressort.

Lorsque il existe une demande en carburant1 la pression de sortie chutant, le clapet du pilote (repère 15) s'ouvre, il créé une perte en charge sur la partie supérieure de la membrane de la deuxième cuve (repère 4), qui, subissant le déséquilibre, se soulève de son siège et laisse passer un flux de
GPLc d'autant plus important que le déséquilibre est grand. Ce flux de GPLc tend à rétablir l'équilibre sur la membrane du pilote (repère 14). La régulation d'une forte quantité de carburant est ainsi établie sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à de fortes puissances de commande.

Le réchauffage du système est assuré par le fluide de refroidissement du moteur. La température de ce vapodétendeur est régulée par une sonde analogique (repère 10), commandant une vanne par l'intermédiaire du microprocesseur de gestion. Le fluide traverse le vapodétendeur entre l'entrée (repère 11) et la sortie (repère 12).

La sortie utilisation GPLc de ce vapodétendeur est reliée aux injecteurs par l'intermédiaire de dispositifs de dosage schématisé en figure 4. Ces dispositifs de dosages sont en nombre égal au nombre de cylindres. Selon la technologie employée par le constructeur du moteur1 ceux-ci sont commandés séparément, chacun par un actuateur, ou synchronisés mécaniquement.

Comme schématisé en figure 4, des masques sont fixés sur les orifice de sortie des moyens de dosage de manière étanche, pour qu'aucun carburant ne puisse filtrer par la périphérie de celui-ci. Sur ces masques coulissent des calibres de dosage. Le système travaillant au centième de millimètre, un ressort est installé pour rattraper le jeu fonctionnel de l'actuateur actionnant le calibre.

L'étanchéité de la jonction masque/ calibre de dosage est obtenue par ajustement des surface de contact.

La figure 5 montre un calibre de dosage dont les côtes précises ne sont pas portées, celles-ci pouvant varier en fonction de la puissance du moteur auquel le système est destiné. La consommation d'un moteur thermique ne variant pas de manière linéaire, le profil P est soit un arc de cercle, soit une fraction d'exponentielle de telle sorte que l'ouverture des moyens de dosage soit corrigée le plus linéairement possible par rapport à la charge du moteur. La longueur Y du profil est fonction de la course utile de l'actuateur choisi, la largeur X de la puissance développée par le moteur équipé du système, le rayon
R au mode d'usinage.

La figure 6 montre un masque, la largeur X est légèrement supérieure à la largeur X du calibre choisi, la longueur Y est égale à la longueur Y du calibre choisi.

Les figures 7a à 7d montrent différents possibilités de réaliser les injecteurs munis de leur clapet anti-aspiration. Dans un tube rigide formant l'enveloppe extérieure fixé mécaniquement sur le collecteur d'admission est introduit un autre tube en matière souple (repère 102), insensible aux carburant.

Ce tube intérieur est resserré en sa partie centrale jusqu'à contact des deux parois, assurant le rôle de clapet anti-aspiration. Un espace libre (repère 106) est conservé dans la partie centrale du tube de sorte que la partie resserrée de membrane puisse s'écarter pour laisser passer le gaz carburant. Une pression en amont d'un tel appareil à pour effet de faire s'écarter les deux parois souples alors que la moindre aspiration les resserre jusqu'à obturation complète du passage. Ainsi le gaz carburant ne pouvant être aspiré, la quantité injectée est parfaitement connue.

Un profil creux, fendu ou percé de plusieurs trous (repère 105) est fixé en sortie de cet injecteur. Le but de ce profil est d'injecter le carburant gazeux de manière uniforme dans toute la section de la tubulure d'admission.

L'injecteur représenté en figure 7a est muni d'un tube (repère 103) solidaire de la membrane souple et débouchant dans la partie resserrée du passage de gaz carburant. Ce tube peut être soumis à la dépression du collecteur d'admission par l'intermédiaire d'un organe de coupure ou de régulation de telle sorte qu'une coupure totale ou partielle de carburant puisse être réalisée. Inversement, du gaz carburant peut être introduit par ce tube pour forcer l'ouverture de l'injecteur.

L'injecteur représenté en figure 7c est muni tube solidaire du carter de protection de la membrane, par lequel peut être admise une pression dans le but d'obliger l'injecteur à se fermer. Les solutions 7a et 7b peuvent être combinées.

L'injecteur représenté en figure 7d est équipé d'un organe de fermeture forcé électromécanique. La représentation de cet organe est schématisé par des poussoirs, mais pour des raisons de volume, ceux-ci pourront être remplacés par des cames ou tout autre actionneur mécanique similaire.

La figure 8 représente un nez de dosage directement solidaire de l'actuateur du système de dosage. Ce nez pénètre plus ou moins dans un orifice calibré, remplaçant ainsi le calibre de dosage et le masque représenté en figure 4. Le profil P représenté est un arc de cercle de plus ou moins grand diamètre, ou une fraction d'exponentielle. Le profil peut varier en fonction de la puissance du moteur alimenté par le système. Ce type d'organe de dosage peut être installé en lieu et place de celui représenté en figure 4. Cet organe de dosage peut aussi être installé directement sur l'injecteur pour réaliser un injecteur I doseur.

La figure 9 représente un schéma de principe de l'ensemble du système.

Repère 201: Injecteur avec clapet anti-aspiration
Repère 202: Collecteur d'admission
Repère 203: Ensemble de doseurs
Repère 204: Actuateur de doseur
Repère 205: Tuyau d'injecteur
Repère 206: Tuyau de réchauffage du vapodétendeur
Repère 207: Vapodétendeur à pression variable
Repère 208: Moteur
Repère 209: Sonde de température vapodétendeur
Repère 210: Information de correction de la charge moteur
Repère 211: Information de pression de gaz carburant
Repère 212: Câblage électrique

Claims (17)

1 / Dispositif d'injection d'un carburant gazeux pour un moteur à combustion interne, mono ou multi-cylindres, comprenant un vapodétendeur à pression variable ainsi que moyens de dosage pour approvisionner le carburant du vapodétendeur au collecteur du cylindre, caractérisé par des calibres de dosage séparés, pouvant être intégrés à l'injecteur et par une pression variable, déterminée de façon électronique ou mixte pneumatique / électronique.

REVENDICATIONS

2"/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de dosage sont constitués par la superposition de deux plaques, un masque et un calibre de dosage, glissant l'un sur l'autre pour obtenir une ouverture variable.

3"1 Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les dispositifs de dosages sont pilotés de telle manière qu'ils soient synchronisés dans toutes leurs actions mais avec une liberté de manoeuvre suffisante pour corriger la valeur du mélange carburant I comburant cylindre par cylindre séparément.

4"1 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque dispositif de dosage est accouplé à un actuateur piloté par un microprocesseur, lequel calcule la position de base en fonction de la charge réelle instantanée du moteur.

5 / Dispositif selon les revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que la pression instantanée du vapodétendeur à pression variable est corrigée par un actuateur piloté par un microprocesseur de telle sorte qu'un changement de charge du moteur produise un changement de pression dans le vapodétendeur à pression variable.

6"/ Dispositif selon les revendications 4 ou 4 et 5, caractérisé en ce que le microprocesseur peut aussi corriger la position des divers actionneurs par la lecture de différents paramètres moteur tels que: la température d'eau de refroidissement, la position du papillon d'accélérateur, la température et pression ambiante, le signal provenant de la ou des sondes à oxygène, ou de tout autre paramètre nécessaire pour le fonctionnement optimal du moteur.

7"1 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le microprocesseur est capable d'interpréter les signaux de sortie d'autres unités de contrôle du moteur et de s'en servir comme information d'entrée, principale ou annexes.

8"1 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que notamment les signaux émis vers les injecteurs essence par le calculateur d'origine peuvent être utilisés pour en déduire la charge du moteur ainsi que la vitesse de rotation de celui-ci.

9"1 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les orifices ou nez de dosage ont un profil non linéaire, en arc de cercle ou fraction d'exponentielle correspondant à la courbe de consommation d'un moteur thermique, de telle sorte que l'électronique ait une correction de position le plus linéaire possible.

10"1 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le système de dosage peut être solidaire de l'injecteur réalisant ainsi un injecteur / doseur fonctionnant sur les principes énoncés dans le présent ouvrage.

11"1 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que le système d'injecteur comporte un tube souple, aplati servant de clapet de non aspiration.

12"1 Dispositif selon la revendication il caractérisé en ce que une coupure de gaz carburant peut être effectuée par fermeture de l'injecteur, soit par variation de la pression du carburant, soit par une force annexe empêchant la partie aplatie du tube souple de s'ouvrir.

13"1 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que la diffusion du gaz carburant est effectuée au moyen d'un profil creux, percé ou fendu sur tout ou partie de sa longueur, installé à l'intérieur des tubulures d'admission, en sortie d'injecteur.

14"1 Dispositif selon les revendications 7 et 8 caractérisé en ce que le système de gestion électronique peut exploiter les résultats de calculs ou signaux de sortie d'autre carte de gestion, ne concemant pas directement l'injection de gaz carburant, comme signaux d'entrée pour une gestion plus précise du gaz carburant.

15"1 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que le système de gestion électronique peut exploiter tout ou partie des signaux de sortie et d'entrée des autres calculateurs équipant le véhicule, ainsi que les siens propre, pour générer des fichiers informatique pouvant être exploités par des logiciels du commerce afin de déterminer, par création de graphique ou de tableau de valeur, le fonctionnement optimum du moteur ou d'établir un diagnostique.

16"1 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que le système de gestion électronique peut gérer les besoins du moteur globalement, tout en en étant capable de corriger le dosage du carburant cylindre par cylindre, sur la base d'une analyse de combustion par cylindre.

17 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que le système peut effectuer des corrections rapides de la quantité de carburant nécessaire pour le bon fonctionnement du moteur par une variation de la pression du carburant, afin de compenser les variations rapides de comburant.