Injecteur de carburant pour moteur a combustion interne

La présente invention se rapporte a un injecteur de carburant pour moteur a combustion interne, notamment Diesel destine notamment à être mis en œuvre dans un véhicule automobile

Un moteur à combustion interne classique comprend au moins un cylindre dans lequel un piston coulisse entre deux positions extrêmes Le piston délimite avec le cylindre et une culasse une chambre de combustion Dans un tel moteur à combustion interne, un injecteur a pour fonction de fournir du carburant pulvérisé finement à la chambre de combustion du moteur à combustion interne

On connaît, par exemple du brevet FR 2 801 346 au nom du demandeur, un dispositif d'injection pour moteur a combustion interne comprenant un injecteur de carburant 10 tel que représenté figure 6

Cet injecteur 10 comprend un corps 12 comportant un transducteur 14 apte à générer des vibrations dans un mode longitudinal a des fréquences ultrasonores Le transducteur 14 se termine dans la partie inférieure par une buse 16 dans laquelle sont amplifiées les vibrations provenant du transducteur 14

L'ensemble du transducteur 14 présente une première cavité intérieure 18 La première cavité intérieure 18 est destinée a être remplie de carburant sous pression Pour se faire, la première cavité 18 est reliée a un orifice d'alimentation en carburant 20 apte à être mis en communication avec un circuit d'alimentation en carburant sous pression (non représenté) La première cavité 18 débouche à l'extrémité inférieure 22 de la buse 16, aussi appelée nez de l'injecteur, par un orifice d'injection

L'injecteur 10 comporte également une tige 24, ou aiguille, s' étendant principalement selon l'axe y-y' La tige 24 est logée mobile axialement à l'intérieur de la buse 16 L'extrémité inférieure de l'aiguille 24 présente une tête d'obturation 26 s'étendant à l'extérieur de la buse 16 Cette tête d'obturation 26 est adaptée pour venir en contact avec la surface intérieure de la buse 16 délimitant l'orifice d'injection de la buse 16 de manière à obturer l'orifice d'injection du carburant

L'autre extrémité de la tige est munie d'une masse 28 reliée élastiquement par un ressort 30 au corps 12 de l'injecteur 10 Le système 32 constitué de la masse 28 et du ressort 30 est logé dans une seconde cavité 34 formée dans la partie arrière du corps 12 de l'injecteur 10

L'ensemble tige 24 et ressort 30 élastique, exerce une force de rappel élastique voulue permettant d'appliquer la tête d'obturation 26 de la tige 24 sur la

zone de la buse 16 entourant l'orifice d'injection La précontrainte appliquée permet d'une part l'étanchéité de l'orifice d'injection ménagé à l'extrémité de la buse 16 lorsque l'injecteur 10 est alimenté en carburant avec une pression donnée et d'autre part le rattrapage d'usure éventuelle dans la zone de contact de la tête d'obturation 26 de la tige 24 avec la buse 16

La masse 28 est fixée, par exemple, par vissage sur la tige 24 de manière à réaliser une rupture d'impédance mécanique à l'interface entre la tige 24 et la masse 28

La valeur de la masse 28 et la rigidité du ressort 30 sont choisies pour former un système ayant un temps de réponse très grand par rapport aux durées d'excitation du transducteur 14.

Le transducteur 14 comporte une zone constituée d'un empilement 36 de composants actifs piézo-électriques ou magnétostrictifs, qui, respectivement sous l'application d'un champ électrique ou magnétique, se déforment en épaisseur. Cet empilement 36 est pris en étau entre deux autres éléments 37a, 37b constitués d'un matériau élastique La liaison entre les composants actifs est assurée par des moyens de précontrainte telle qu'un écrou 38. L'empilement de plusieurs composants actifs permet d'additionner les déformations en épaisseur générées par chacun des composants actifs, la déformation résultant du déplacement total de l'empilement des composants actifs restant en dessous de la limite de déformation élastique des moyens de précontrainte.

Sous l'application d'une tension électrique sur les éléments actifs piézoélectriques, ceux-ci se déforment et engendrent une déformation élastique qui se transmet jusqu'à l'extrémité inférieure de la buse 16.

De préférence, l'ensemble 40 composé du transducteur 14 et de la buse 16 est dimensionné pour résonner à la fréquence d'excitation des composants actifs pour amplifier les déplacements longitudinaux jusqu'au niveau de l'extrémité inférieure 22 de la buse 16. La tige 24, obturant initialement l'orifice d'injection au moyen de sa tête d'obturation 26, se déforme sous l'impulsion qui lui est fournie lorsque la buse 16 se met à osciller. Cette déformation se répartit élastiquement sur toute la longueur de la tige 24 et se réfléchit à l'interface 42 entre la tige 24 et la masse 28.

Les réponses propres de la tige 24 d'une part et de la buse 16 d'autre part permettent de faire osciller l'extrémité de la tige 24 et l'ouverture avec une variation de phase et d'amplitude. Cette variation se traduit par l'ouverture d'une fente

annulaire entre la tige 24 et l'extrémité 22 de la buse 16, la largeur de la fente dépendant du déphasage et de l'écart relatif d'amplitude entre l'oscillation de l'extrémité 22 de la buse 16 et l'oscillation de la tête d'obturation 26 de la tige 24

Le temps d'ouverture minimum de l'injecteur 10 est du même ordre que la période d'excitation appliquée au transducteur laquelle excitation peut se faire à quelques dizaines de kilohertz typiquement 50 kHz, ce qui autorise un temps d'ouverture minimum de l'ordre de 20 μs Ceci permet de délivrer des quantités de carburant de l'ordre du microlitre pendant un laps de temps réduit

Le corps 12 de l'injecteur 10 est destiné a être fixé à l'extrémité supérieure de la culasse du moteur par des moyens non représentes

Alors que l'injecteur 10 présente des moyens indirects de mise en vibration longitudinale de la tige, on connaît également des injecteurs comprenant des moyens directs de mise en vibration cyclique de la tige Notamment, on connaît un injecteur comprenant un empilement de céramiques piézoélectriques ou un barreau magnétostrictif monté directement dans le corps de la tige et qui excite la tige de manière à engendrer des déformations élastiques de la tige

Dans les deux cas d'excitation, directe ou indirecte, de la tige de l'injecteur, la tige est encastrée à une extrémité dans une masse Le rôle de cette masse est de réaliser une rupture d'impédance de manière a ce que les ondes de déformation se propageant dans la tige se réfléchissent à la frontière entre la tige et la masse

Par ailleurs, tandis que l'injecteur 10 est du type à aiguille sortante, il est également connu des injecteurs du type à aiguille entrante Dans le cas d'un injecteur du type à aiguille entrante, la tige est plaquée, au repos, sur la face intérieure de l'extrémité inférieure de la buse sous l'effet d'un ressort Le ressort est monté dans la seconde cavité On assure ainsi l'obturation de l'orifice d'injection Lorsque le corps de l'injecteur est excité, la tige est mise en vibration longitudinale L'extrémité de la tige oscille alors entre sa position d'obturation de l'orifice d'injection et une position d'ouverture de cet orifice d'injection

II est à noter que suivant le type de l'injecteur, le ressort exerce, sur la tige, soit une force de traction (dans le cas d'un injecteur du type à aiguille sortante) soit une force de compression (dans le cas d'un injecteur du type à aiguille entrante)

Cependant, les dimensions de l'injecteur sont imposées par la place disponible sur le moteur et dans l'environnement direct du moteur Ainsi, le volume de l'injecteur étant imposé, l'encombrement du système masse+ressort assurant une rupture d'impédance suffisante et un effort d'étanchéité satisfaisant au niveau de

l'orifice d'injection peut correspondre à un ressort d'une raideur telle que le système masse ressort ait une fréquence de résonance se situant dans la plage d'excitation imposée par les vibrations du moteur Une excitation de l'ensemble masse+ressort à sa fréquence de résonance entraîne une ouverture de l'injecteur de manière chaotique

Une solution connue à ce problème consiste à ajouter des moyens d'amortissement au système masse+ressort Cependant, cette solution ne résout qu'imparfaitement le problème de la résonance du système masse+ressort, une telle mesure ne permettant que de réduire l'amplitude des oscillations du système masse+ressort excité à sa fréquence de résonance

II est également connu de fixer, sur le corps de l'injecteur, la masse dans laquelle l'aiguille est encastrée. Cependant, une telle solution présente l'inconvénient que, du fait de réchauffement de l'injecteur et donc de la dilatation du corps de l'injecteur et de l'aiguille, des forces axiales non contrôlées apparaissent dans l'aiguille. Ces forces axiales perturbent la déformation cyclique de l'aiguille et donc l'injection par l'injecteur

Le but de l'invention est de proposer un injecteur de carburant ne présentant pas les défauts susnommés et apte, notamment, à assurer une injection de carburant sous formes de fines gouttelettes mieux contrôlée par rapport aux contraintes de l'environnement de l'injecteur.

On atteint ce but de l'invention au moyen d'un injecteur de carburant pour moteur à combustion interne, notamment du type à aiguille entrante ou du type à aiguille sortante, comportant

- un corps d'injecteur formant notamment une buse terminée par un orifice d'injection,

- des moyens d'obturation dudit orifice d'injection dudit corps d'injecteur, lesdits moyens d'obturation comportant une tige vibrante terminée par une tête d'obturation dudit orifice d'injection,

- des moyens de rappel desdits moyens d'obturation en position d'obturation dudit orifice d'injection, et

- des moyens de mise en vibration longitudinale cyclique de ladite tige et/ou de ladite buse de manière à alternativement ouvrir et fermer l'orifice d'injection,

Selon l'invention, ledit injecteur comporte des moyens de blocage sélectivement activables de ladite tige par rapport audit corps.

Ainsi, comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, lorsque les moyens de blocage de la tige par rapport au corps de l'injecteur sont activés, la tige n'oscille pas et, donc, tout risque de résonance de la tige aux fréquences de vibrations du moteur est écartée, ce qui assure le contrôle de l'injection Pour éviter les problèmes liés à la dilatation différentielle de la tige et du corps de l'injecteur, les moyens de blocage de la tige peuvent être desactives Dans ce cas, les moyens de rappel des moyens d'obturation permettent de repositionner les moyens d'obturation dans une position où la tige est déchargée des contraintes dues à la dilatation différentielle de la tige par rapport au corps

De préférence, lesdits moyens de blocage sélectivement activables de ladite tige sont aptes à coopérer avec ladite tige et/ou avec une masse à laquelle ladite tige est fixée de manière à réaliser une rupture d'impédance mécanique

De manière préférée, lesdits moyens de blocage comportent un piston apte à coulisser selon une direction sensiblement perpendiculaire à ladite tige

De préférence, l'injecteur de carburant selon l'invention comporte une chambre hydraulique de commande du mouvement dudit piston

De manière préférée, ladite chambre hydraulique de commande comporte au moins un orifice d'entrée de carburant qui est en communication de fluide avec un orifice d'alimentation en carburant dudit injecteur

De préférence, ladite chambre hydraulique de commande comporte de plus au moins un orifice de sortie de carburant, la section totale dudit au moins un orifice d'entrée étant inférieure à la section totale dudit au moins un orifice de sortie

De manière préférée, l'injecteur de carburant selon l'invention comporte des moyens de commande du remplissage ou du vidage de ladite chambre hydraulique de commande du type magnétostrictif ou électromagnétique ou electrostrictif ou piézoélectrique

De manière préférée, lesdits moyens de mise en vibration cyclique de ladite tige et/ou de ladite buse sont du type piézoélectrique et/ou magnétostrictif et/ou électromagnétique

De préférence, lesdits moyens de mise en vibration cyclique de ladite tige et/ou de ladite buse sont aptes à provoquer des déformations élastiques de ladite tige et/ou de ladite buse à des fréquences ultrasonores

De manière préférée, lesdits moyens de mise en vibration cyclique de ladite tige et/ou de ladite buse sont montés solidaires dudit corps et/ou de ladite tige

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront a l'examen de la description des modes de réalisation préférés qui va suivre présentes uniquement à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures ci-annexées dans lesquelles

- la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un injecteur selon un premier mode de réalisation de l'invention ,

- la figure 2 représente une vue en coupe selon le plan de coupe A-A de l'injecteur de la figure 1 ,

- la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'un injecteur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ,

- la figure 4 représente une vue en coupe longitudinale d'un injecteur selon un troisième mode de réalisation de l'invention ,

- la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d'un injecteur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention , et

- la figure 6 représente une vue en coupe longitudinale d'un injecteur selon l'état de la technique

Sur les figures, les éléments identiques ou ayant la même fonction sont indiqués avec la même référence numérique

Un premier mode de réalisation de l'injecteur 44 selon l'invention est représenté en coupe longitudinale à la figure 1

Les éléments de l'injecteur 44 selon le premier mode de réalisation de l'invention identiques aux éléments de l'injecteur de l'état de la technique décrit ci- avant en regard de la figure 6 ne sont pas décrits à nouveau ci-apres

Selon l'invention, l'injecteur 44 comporte des moyens de blocage de la masse 28 par rapport au corps 12 qui sont sélectivement activables

Ces moyens de blocage comportent un piston 46 monté libre en translation par rapport au corps 12 de l'injecteur 44 selon un axe x-x' sensiblement perpendiculaire à l'axe y-y' de la tige 24 Les moyens de blocage comportent également une pièce d'appui 48 apte à coopérer avec le piston 46 de manière à bloquer la masse 28 en translation selon l'axe y-y'

De préférence, le piston 46 et/ou la pièce d'appui 48 présentent une face d'appui sur la masse 28 de forme complémentaire à la masse 28 Ainsi, la masse 28 étant, en l'espèce, cylindrique, le piston 46 et la pièce d'appui 48 présentent une face d'appui apte à coopérer avec la masse 28 de forme concave, sensiblement

cylindrique Ainsi, de manière avantageuse, la force de blocage exercée par les moyens de blocage est optimisée pour une pression donnée

De préférence, la pièce d'appui 48 est réalisée en acier dur

De préférence également, le piston 46 et la pièce d'appui 48 sont sensiblement de la même hauteur que la masse 28 de manière a assurer une surface de contact entre le piston, la masse et la pièce d'appui la plus grande possible Ainsi, de manière avantageuse, la force de blocage exercée par les moyens de blocage est optimisée pour une pression donnée

De manière à commander la translation du piston 46, l'injecteur 44 selon le premier mode de réalisation de l'invention présente une chambre hydraulique de commande 50 Cette chambre hydraulique de commande 50 est délimitée d'une part par le corps 12 de l'injecteur 44 et, d'autre part par le piston 46 La chambre hydraulique de commande 50 présente un orifice d'entrée de carburant 52 Un conduit de dérivation de carburant 53 débouche par cet orifice d'entrée de carburant 52 Le conduit de dérivation 53 débouche d'autre part dans le conduit d'alimentation 54 de l'injecteur 44, de préférence entre l'orifice d alimentation 20 et la première cavité 18

La chambre hydraulique de commande 50 présente par ailleurs un orifice de sortie de fluide hydraulique 56 dont la section est, de préférence, plus grande que la section de l'orifice d'entrée 52 Cet orifice de sortie 56 est relié à la seconde cavité 34 La seconde cavité 34 est fermée par un bouchon 58 Ce bouchon 58 présente un conduit d'évacuation 60 de carburant basse pression

Par ailleurs, de manière à commander le remplissage ou le vidage de la chambre hydraulique de commande 50, l'injecteur 44 selon le premier mode de réalisation de l'invention comporte une vanne 62 en l'espèce du type à commande électrique, de préférence du type magnétostrictive, électromagnétique ou electrostrictive Cette vanne 62 est apte à couper la communication de fluide entre la chambre hydraulique de commande 50 et la seconde cavité 34

Le fonctionnement et les avantages de l'injecteur de carburant 44 selon le premier mode de réalisation de l'invention découlent directement de la description qui vient d'en être faite

Lorsque le carburant sous pression entre dans le corps 12 de l'injecteur 44 par l'orifice d'alimentation 20, il se propage dans la première cavité 18 et dans la chambre hydraulique de commande 50

Lorsque la vanne 62 n'est pas alimentée électriquement, elle est fermée et la communication de fluide entre la seconde cavité 34 et la chambre hydraulique de commande 50 est interrompue Le carburant ne s'évacue donc par vers la seconde cavité 34 La pression du carburant dans la chambre hydraulique de commande 50 reste donc élevée, c'est-à-dire supérieure à la pression du carburant se trouvant dans la seconde cavité 34 C'est pourquoi le carburant pousse le piston 46 selon l'axe x-x' en direction de la masse 28 Ainsi, le piston 46 maintient la masse 28 dans sa position initiale en plaquant la masse 28 contre la pièce d'appui 48 Cette position initiale de la masse 28 et la tension initiale dans la tige 24 sont obtenues par construction, notamment au moyen du ressort 30 disposé dans la seconde cavité 34

Lorsque la vanne 62 est alimentée électriquement, elle s'ouvre Le carburant est alors évacué vers la seconde cavité 34 La pression dans la chambre hydraulique de commande 50 baisse alors et le piston 46 réduit son étreinte La masse 28 est libérée et la tension dans la tige 24 reprend la valeur que le ressort 30 lui impose

Cette commande d'ouverture de la vanne 62 se fait périodiquement (par exemple toutes les minutes) et pour des durées très courtes, de l'ordre de quelques centaines de millisecondes afin de permettre à la tension dans la tige 24 de reprendre la valeur imposée par le ressort 30, et d'éliminer des surtensions qui peuvent apparaître dans la tige 24 à cause des dilatations différentielles entre le corps 12 de l'injecteur 44 et la tige 24 L'ouverture de cette vanne 62 peut, par exemple, être réalisée entre deux injections successives

II est à noter que le carburant qui est toujours fourni sous pression par une pompe, continue à exercer une pression sur le piston 46 Donc, malgré l'ouverture de la vanne 62, le carburant peut avoir tendance à conserver une pression, dans la chambre hydraulique de commande 50, supérieure à la pression dans la seconde cavité 34 Ce problème est résolu par le fait que l'arrivée du carburant dans la chambre hydraulique de commande 50 se fait via un conduit de dérivation 53 fin, et que l'évacuation du carburant hors de la chambre hydraulique de commande 50 est réalisée au moyen d'un orifice d'évacuation 56 et d'un conduit d'évacuation 60 de diamètre plus important que le diamètre du conduit de dérivation 53 Ainsi, la perte de charge à l'évacuation du carburant hors de la chambre de commande 50 est inférieure à la perte de charge au remplissage de cette chambre de commande 50 II est ainsi possible de favoriser l'évacuation du carburant hors de la chambre de commande 50 de manière à faire diminuer, de manière très rapide, la pression du carburant dans la chambre de commande 50

La vanne 62 offre de préférence une faible perte de charge afin que la pression dans la chambre hydraulique de commande 48 baisse rapidement Le conduit de dérivation 53 résiste suffisamment à la remontée de pression dans la chambre hydraulique de commande 50 Ainsi, la pression du carburant dans la chambre hydraulique de commande 50 n'a pas le temps de remonter pour s'opposer à la libération de la masse 28

Lorsque la vanne 62 n'est plus alimentée, elle se ferme de manière à bloquer la communication de fluide entre la chambre hydraulique de commande 50 et la seconde cavité 34. La pression dans la chambre hydraulique de commande 50 augmente alors Le piston 46 est alors plaqué sur la masse 28 contre la pièce d'appui 48 de manière à bloquer la masse 28, comme cela est représenté figure 2 Immédiatement après blocage, la force dans la tige 24 est à la valeur que le ressort 30 impose, la tige 24 étant débarrassée des efforts supplémentaires qui ont pu se créer suite à des dilatations différentielles

La figure 3 présente un deuxième mode de réalisation de l'injecteur selon l'invention. L'injecteur 66 représenté figure 3 se différencie de l'injecteur 44 selon le premier mode de réalisation de l'invention en cela qu'il s'agit d'un injecteur du type à aiguille entrante. Ainsi, afin d'obturer l'orifice d'injection 68, la tige 24 est plaquée, au repos, sur la face intérieure de l'extrémité inférieure 22 de la buse 16 sous l'effet du ressort 30 qui est monté dans la seconde cavité 34

La figure 4 présente un troisième mode de réalisation de l'injecteur selon l'invention. L'injecteur 70 représenté figure 4 se différencie de l'injecteur 44 selon le premier mode de réalisation en cela qu'il ne présente pas d'empilement 36 de composants actifs, par exemple piézo-électπques ou magnétostrictifs, monté sur le corps de l'injecteur. En effet, un empilement 72 de composants actifs aptes à se déformer sous l'effet d'un champs électrique ou magnétique, de préférence des composants piézo-électriques ou magnétostrictifs, est monté solidaire sur la tige 24 de manière à ce que la déformation de cet empilement 72 de composants actifs provoque directement la mise en vibration longitudinale de la tige 24

La figure 5 présente un quatrième mode de réalisation de l'injecteur selon l'invention. L'injecteur 74 représenté figure 5 se différencie de l'injecteur 66 selon le deuxième mode de réalisation en cela qu'il ne présente pas d'empilement 36 de composants actifs, par exemple piézo-électπques ou magnétostrictifs, monté sur le corps de l'injecteur. En effet, comme cela a été décrit pour l'injecteur 70 selon le troisième mode de réalisation, un empilement 72 de composants actifs aptes à se

déformer sous l'effet d'un courant électrique, par exemple des éléments piézoélectriques ou magnétostrictifs, est monté solidaire sur la tige 24 de manière à ce que la déformation de cet empilement 72 de composants actifs provoque directement la mise en vibration longitudinale de la tige 24

Bien entendu la présente invention ne se réduit pas aux modes de réalisation présentés ci-avant à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs et de nombreuses modifications sont possibles sans sortir du cadre de l'invention

Ainsi, le piston de blocage et la pièce d'appui peuvent coopérer directement avec la tige, la masse pouvant alors être éventuellement supprimée

Par ailleurs, bien que le dispositif à piston 46 et pièce d'appui 48 présente une forme de réalisation avantageuse de moyens de blocage sélectivement activables, ces éléments peuvent être remplacés par tout dispositif sélectivement activable permettant effectivement de réaliser le blocage de la masse et/ou de la tige On peut notamment citer, à titre d'exemples, un vérin électrique ou hydraulique ou un blocage par électroaimant