Brevet FR2524073A1 — publié le 19830930

i Injecteur électromagnétique pour moteur Diesel donnant lieu à une loi d'injection de type "pression-temps". L'invention concerne les moteurs à injection, et en particulier les moteurs Diesel à injection directe, qui néces- sitent des hautes pression d'injection, soit p^r pulvériser convenablement les faibles quantités de gazole requises aux faibles charges et au ralenti, soit pour introduire dans le cylindre les fortes quantités de gazole relatvies à la pleine charge dans des temps extrêmement courts; en effet, l'augmen- tation des taux de suralimentation sur les moteurs de véhi- cules industriels et l'augmentation de la vitesse de rotation sur les moteurs de voitures particulières, afin de leur donner des agréments de conduite identiques à ceux de voitures équi- pées de moteurs à explosion, conduisent à l'augmentation des taux d'introduction du gazole. Les systèmes d'injection classiques apportent une solu- tion par l'augmentation des pression d'injection, ce qui n'est pas sans créer des difficultés au niveau de la tenue des lignes hydrauliques, et de la nécessité du renforcement des pièces constitutives des pompes par exemple La quantité de combustible injectée étant en première approximation propor- tionnelle à l'intégrale de la surface de la courbe de la pression en fonction du temps régnant juste en amont des trous de l'injecteur, on se rend aisément compte qu'avec une loi rectangulaire, comparativement à une loi triangulaire, pour le même temps d'injection et la même quantité injectée, le niveau de pression maximum est moins élevé. Le principe de l'injection "pression-temps" à commande électromagnétique est connu et diverses solutions ont été proposées à ce jour, qui s'efforcent toutes de résoudre le problème suivant: tout en fonctionnant sous haute pression ( 800 voire 1000 bars ou plus) il faut être capable de maîtri- ser le débit correspondant à de très petites quantités injec- tées En effet, si le temps maximum autorisé pour l'injection est de l'ordre de 0,8 à 2 millisecondes selon l'application (vitesse et gamme de cylindrée), le rapport entre les quanti- tés maximale et minimale injectées ou dynamique d'injection peut aller de 7 à 15 ou plus. Pour réaliser ces fortes dynamiques, la courbe de réponse du système dans l'espace temps réel d'injection débit injec- té par coup, qui est une droite entre les quantités minimales et maximales injectées, doit être telle que lez rolongement de ladite droite coupe l'axe des temps à une valeur positive, c'est-àdire que le système doit être plus rapide à la ferme- ture (ou fin d'injection) qu'à son ouverture (ou début d'in- jection); par ailleurs, le temps minimum d'injection est de l'ordre de grandeur du temps minimum technologique qui peut actuellement être obtenu pour le mouvement (ouverture ou fermeture) d'un organe électromagnétique. Deux types de solutions, parmi celles connues, sont à retenir: soit celles comportant deux électrovannes, l'une assurant le début de l'injection, l'autre la fin de l'injec- tion, soit celles ou l'aiguille d'injecteur est assistée par un ensemble de poussoir et de piston; deux possibilités s'of- frant par la commande de l'aiguille soit en utilisant la décharge puis la charge d'une pression sur le dessus d'un piston au-dessous d'un piston de commande dont le dessus est continuellement sous pression; décharge ou charge dans le premier cas, charge ou décharge dans le second assurant res- pectivement le début et la fin de l'injection, sont assurées par un organe distributeur à trois voies (électrovanne trois voies, deux électrovannes ou deux servo-valves) La première solution pose des problèmes technologiques au niveau des électrovannes qui travaillent directement sous la pression d'injection et doivent avoir des sections de passage auto- risant le débit d'injection, la seconde, dans la version à deux électrovannes ou servo-valves, est relativement encom- brante et, dans la version à une seule électrovanne, nécessite des temps de réponse limités pour garantir les faibles quan- tités injectées. Le but de l'invention est de réaliser un injecteur élec- tromagnétique qui apporte une solution aux problèmes précé- dents en utilisant une seule électrovanne, dans une première version, ou un système de deux petits pistons différentiels associés à une seule électrovanne dans une version préférée permettant d'obtenir un temps de réponse satisfaisant pour les petites quantités injectées d'une part et d'autre part d'avoir une fermeture de l'aiguille d'injecteur extrêmement rapide. Le porte-injecteur est d'une famille proch-de celle de la "deuxième solution" précédente de la génération ou la levée de l'aiguille réalisant l'ouverture de l'injecteur et la descente de l'aiguille assurant la fermeture de l'injecteur sont réalisés respectivement par la charge en pression puis la décharge à une capacité En effet, compte tenu des caracté- ristiques mêmes de toute réalisation mécanique, la décharge d'une capacité, entre deux niveaux de pression donnés, à tra- vers un organe de contrôle (vanne ou tiroir) doué d'une vi- tesse d'ouverture finie et avec des fuites internes dues aux jeux fonctionnels et aux recouvrements des sections conduisant aux sources haute et basse pression pendant son fonctionne- ment, est plus rapide que le phénomène de recharge pour deux raisons essentielles: a) Il est plus aisé de disposer d'une source basse pres- sion constante (l'atmosphère par exemple) que d'une source haute pression constante pendant le remplissage, car celui-ci -se réalise par nature, avec des pertes de charge. b) Toutes les fuites internes de l'organe de commande tendent à favoriser la chute de pression. Pour ces raisons, on améliore beaucoup le fonctionnement grace au système d'injection pression-temps selon l'invention, dont la fermeture est assurée par la décharge d'une capacité se trouvant sous le piston de commande, le dessus de celui-ci étant toujours soumis à la pression d'injection agissant en permanence comme effort de rappel. Par ailleurs, par un dimensionnement judicieux des élé- ments mécaniques, le système selon l'invention donne un fonc- tionnement satisfaisant tout en utilisant une seule électro- vanne trois voies en s'affranchissant de la rapidité d'ouver- ture de l'organe électromagnétique, seule sa rapidité de fermeture entrant en ligne de compte. D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre de deux modes de réalisation pris comme exemple et représentés sur les dessins annexés, sur lesquels: la fig 1 est un schéma d'ensemble pour un seul injec- teur; la fig 2 un diagramme des courbes représentatives du fonctionnement; la fige 3 est un schéma d'ensemble pour un seul injecteur améliorant la fermeture de l'aiguille; et la fig 4 est un diagramme des courbes représentatives de son fonctionnement. Comme représenté sur la fig 1, une pompe 2, de type continu, puise le gazole dans un réservoir l et le refoule sous une pression constante, régulée par le régulateur 3, dans une conduite haute pression 4 pouvant alimenter un ou plu- sieurs porte-injecteurs identiques à celui représenté sur la figure. Il s'agit d'un porte-injecteur composé de plusieurs pièces non représentées ici, qui constituent une enveloppe contenant principalement et suivant un axe commun, un cylindre dans lequel peut se déplacer un piston de commande 6 de section Sf, transmettant des efforts à l'aiguille de l'injec- teur 9 de section Sa par l'intermédiaire d'une tige de poussée 7 de section Sp qui comporte un épaulement 16 faisant office de butée mobile pour comprimer le ressort de rappel 8 L'ai- guille d'injection 9 de section Sa est guidée à l'intérieur de la buse d'injection 10, de type classique, Ss représentant la section au siège La partie inférieure du cylindre 5, délimi- tée par le piston 6 forme une cavité 13 qui peut être mise en communication alternativement avec la conduite haute pression 4 ou avec la conduite de décharge 12 par l'intermédiaire d'une électrovanne à trois voies Il actionnée par un calculateur électronique approprié Le logement du ressort 8 est en communication constante avec le circuit de décharge 12. Un ajutage réglable 14 est placé en amont de l'entrée haute pression de l'électrovanne trois voies 11. En position de repos, l'électrovanne 11 n'étant pas excitée, la capacité 13 est en communication avec le circuit de décharge 12; la haute pression régnant au-dessus du piston 6 et s'ajoutant à la force du ressort 8 maint 4 c-c t l'aiguille d'injecteur 9 en appui sur son siège malgré l'effet antago- niste dû à la présence de la haute pression autour de l'ai- guille 9 s'appliquant sur la section différentielle (Sa-Ss). Lorsque l'on veut injecter, on excite l'électrovanne 11 qui autorise alors la haute pression à pénétrer dans la chambre 13 et en même temps isole celle-ci de la décharge 12 Le début du mouvement de levée de l'aiguille d'injecteur a lieu lorsque la pression P 13 régnant dans la chambre 13, alimentée par 1 g l'électrovanne 11, atteint un niveau P 13,0 tel que Sf P 13,0 + P (Sa Ss) = P Sf + Fro + P 13,0 Sp soit F 13,0 =P (Sf Sa + Ss) + Fro (phase A de la fig 2) (Sf Sp) o P représente la pression d'injection et Fro la force du ressort en position de repos Par un judicieux dimensionnement des sections Sp et Sf et de la force Fro vis-à- vis de la pression P d'injection et des sections Sa et Ss de l'aiguille d'injecteur 9, il est possible de placer sur la courbe d'évo- lution de la pression P 13 régnant dans la chambre 13, le niveau auquel l'aiguille d'injecteur commence à se lever relativement proche de la pression P 13 maximum, soit la pres- sion d'injection P D'après les considérations précédentes sur la charge d'une capacité, le temps de la phase A est relati- vement long et, avec une technologie appropriée d'électrovanne trois voies, il est facile d'obtenir un temps d'ouverture de l'électrovanne inférieur au temps de la phase A ce qui fait que l'on s'affranchit du temps de réponse de l'électrovanne à son ouverture Ceci s'obtient par le dimensionnement des organes, et en dernier recours par l'action sur l'ajutage réglable 14 qui permet d'amplifier si nécessaire la durée de la phase A comparativement au temps d'ouverture de l'électro- vanne Lorsque la pression P 13 est supérieure à P 13,0 l'injec- teur s'ouvre et l'injection se déroule à pression constante. En fin d'injection, le signal électrique de commande revient à zéro et l'électrovanne revient au repos, interrom- pant la communication de la chambre 13 avec la haute pression P et mettant en communication cette même chambre avec la décharge; la pression P 13 chute alors rapidement et lors- qu'elle atteint une valeur P 13,f telle que - P 13 f P (Sf Sa) + Fr O + Kx (phase B de la fig 2) Sf Sa (Kx étant l'effort supplémentaire du à la contraction du ressort) l'aiguille d'injecteur commence à se refermer; la pression en 13 chute brutalement et la haute pression régnant dans 5 exerce un effort de fermeture qui s'ajoute à l'effort de rappel du ressort 8, de sorte que la fermeture de l'injec- teur est très rapide. Sur la fig 2, on peut imaginer que la remise à zéro de la tension de commande de l'électrovanne intervienne très peu de temps après la fin de la phase A ce qui permet alors de dominer les très petites quantités injectées, puisque d'une part, la phase B est très rapide et que d'autre part, il est possible de conserver des points de fonctionnement o la pression P 13 n'a pas le temps d'atteindre la pression d'injec- tion P. Dans cette première version de la présente invention, on peut voir que le principe général réside dans le fait de décaler l'ouverture de l'aiguille de l'injecteur par rapport au mouvement d'ouverture de l'électrovanne en utilisant des retards hydrauliques tandis que la fermeture de l'aiguille est directement pilotée par la fermeture de l'électrovanne. Dans la version préférée de l'invention telle que décrite ci-dessous on garde le même principe général en l'amplifiant ce qui permet par l'adjonction de deux pistons différentiels d'autoriser la décharge de la capacité autour de l'aiguille d'injecteur en fin d'injection donnant lieu à une fermeture d'aiguille encore plus rapide et de donner au porteinjecteur une sécurité positive de débit, c'est-à-dire qu'en cas de défaillance de l'aiguille d'injecteur ou de certaines défail- lances de l'électrovanne, la haute pression d'injection est interrompue. Sur la fig 3, on retrouve les mêmes ensembles que sur la fig 1 qui sont complétés de la façon suivante: le corps du porte-injecteur comprend de plus deux alésages concentriques et 21 respectivement de diamètre D et d Dans l'alésage 20, un piston 23 est en appui sur le piston 22 de l'alésage 21 Le piston 22 comprend un perçage 26 en forme de T permettant de relier, selon la position du piston 22 dans l'alésage 21, la chambre 18 formée par le fond de l'alésage 21 et la partie inférieure du piston 22 à une gorge annulaire 25 ménagée dans l'alésage 21 Il comprend par ailleurs, une gorge annulaire 24 La chambre 18 est alimentée par la pression P de la pompe 2 en permanence par le conduit 4 a, la cavité 17 formée par la partie supérieure de l'alésage 20 et le dessus du piston 23 est reliée à la sortie de l'électrovanne 11, qui peut être 13 mise alternativement à la pression P ou au retour de fuites, par un conduit 32 duquel partent deux conduits 28 a et 28 b allant dans la chambre 13: sur le conduit 28 b est placé un clapet anti-retour 30 de telle façon qu'il autorise le com- bustible à se diriger de la chambre 13 vers le conduit 32; sur le conduit 28 a sont interposés un clapet anti-retour 29 et un étranglement 14 a remplaçant l'étranglement 14 de la première version, le clapet antiretour 29 étant placé de telle façon qu'il autorise le combustible à se diriger de la conduite 32 vers la chambre 13 Enfin, la gorge 25 est reliée à la capa- cité 35 située autour de l'aiguille d'injecteur 9 par un conduit 4 b-4 c Par ailleurs, le volume compris entre les pistons 23 et 26 est en communication permanente par 4 d avec les fuites. Le principe de fonctionnement est le suivant: sur la fig 3 le système est représenté en position d'injection, c'est-à-dire lorsque l'électrovanne 11 est sous tension. Avant l'injection, comme précédemment, l'électrovanne n'étant pas excitée, la chambre 13 est en communication avec les fuites. Il en est de même de la chambre 17 et, puisque la pres- sion d'injection P règne en permanence dans la chambre 18, les deux pistons 23 et 22 sont en position haute; dans ce cas, la haute pression ne peut s'établir dans la conduite 4 b menant à l'injecteur puisque le haut du T 26 est obstrué par les parois de l'alésage 21 et la gorge 24, par un aménagement spécial 4 c du conduit 4 b, met en communication la capacité 35 avec les fuites par le conduit 15. Au moment o l'on veut injecter, on met l'électrovanne 11 sous tension ce qui isole le conduit 32 des fuites et permet à la haute pression de s'établir, du fait de l'étranglement 14 a placé sur la ligne 28 a, plus rapidement dans la chambre 17 que dans la chambre 13 En se rapportant à la fig 4, on compren- dra plus aisément les explications suivantes: la pression P 17 croissant plus vite que la pression P 13 et puisque le diamètre D du piston 23 est supérieur au diamètre d du piston 22, la pression P 17 va arriver à un niveau P 17,0 tel que P 17,0 Y T Dz = P t d 2 avant de la pression P 13 ait atteint le niveau P 13,0 décrit dans la première version A ce moment là, les pistons 23 et 22 se meuvent vers le bas mettant en communication la capacité 35 avec la haute pression P puisque le haut du T 26 vient en coïncidence avec la gorge 25; la haute pression d'injection P est donc établie dans l'injecteur avant que la pression P 13,0 soit atteinte et que l'aiguille d'injecteur commence à s'ou- vrir comme décrit dans la première version Une adaptation de l'étranglement 14 a permet de régler exactement les déphasages entre les niveaux de pression P 17,0 et P 13,0 A la fin de l'injection, lorsque le signal de commande de l'électrovanne revient à 0, la cinématique de fermeture de l'aiguille se déroule comme dans la première version si ce n'est que la fin de fermeture de l'aiguille est accélérée à partir du moment ou la pression dans la chambre 35 commence à chuter par suite du déplacement du piston 22. Le piston 22 apporte par ailleurs au porte-injecteur une :3 O sécurité positive puisqu'il interrompt la pression constante P dans la cavité 35 entre deux injections, donc si l'aiguille d'injecteur 9 vient à se coincer dans la buse 10, le combus- tible sous pression P ne pénétrera au pire dans le cylindre que durant le très court instant d'injection limitant les risques de noyer le moteur Enfin, si par hasard l'électro- vanne 11 venait à se bloquer dans une position intermédiaire laissant ses trois voies en communication, la pression P 17 ne pourrait s'établir à un niveau suffisant pour lutter contre la pression P et mettre en communication le haut du T 26 avec la gorge annulaire 25. REVENDICATIONS 1 Injecteur électromagnétique à pression-temps pour un moteur à injection, du type comportant une pompe à combustible à haute pression régulée et un injecteur assisté comportant une aiguille d'injection à ouverture par effet différentiel de pression et à fermeture par ressort taré combiné avec un piston hydraulique de charge dont la pression est commandée par un dispositif électromagnétique actionné par un régulateur électronique, caractérisé par le fait que ledit piston hydraulique de charge ( 6) est à double effet, avec sa chambre de charge ( 5) constamment en communication avec ladite haute pression ( 4) et sa chambre de décharge ( 13) à une pression variable, et que ledit dispositif électromagnétique est équivalent à une électrovanne à trois voies ( 11) mettant en communication ladite chambre de décharge ( 13) alternativement avec la haute pression ( 4) et avec la décharge ( 12). 2 Injecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les diverses sections actives sont dimensionnées de manière que l'aiguille ( 9) s'ouvre lorsque la pression dans la chambre de décharge ( 13) atteint une valeur (P 13,O) à peine inférieure à ladite haute pression (P). 3 Injecteur selon une des revendications 1 et 2, carac- térisé par le fait que les sections de passage de fluide sont déterminées, et au besoin ajustées par un étrangleur, de préférence ajustable ( 14; 14 a) inséré dans le circuit allant de la pompe ( 2-3) à la chambre de décharge ( 13) en passant par l'électrovanne ( 11) de manière que le temps (A) qui est néces- saire à partir du signal de commande de début d'injection pour que la pression dans la chambre de décharge ( 13) atteigne la valeur (P 13,O) correspondant au début d'ouverture de l'ai- guille ( 9) soit supérieur au temps de levée de l'électrovanne ( 11), et que le temps de fermeture soit aussi court que pos- sible,. 4 Injecteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'étrangleur ( 14) est inséré en amont de l'électro- valve ( 11) dont la voie commune est raccordée directement à la chambre de décharge ( 13). Injecteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la voie commune raccordant l'électrovalve ( 11) à la chambre de décharge comprend deux voies parallèles ( 28 a, 28 b) dans lesquelles sont interposés des clapets anti-retour ( 29, 30) pour des sens d'écoulement opposés, et que l'étrangleur ( 14 a) est inséré dans celle ( 28 a) de ces voies-rjii autorise l'écoulement vers la chambre de décharge ( 13). 6 Injecteur selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la capacité d'aiguille entourant l'aiguille ( 9) d'injection est raccordée en permanence à la haute pression ( 4). 7 Injecteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la capacité d'aiguille ( 35) est raccordée alternati- vement à la haute pression ( 4 a) et à la décharge ( 15) par un distributeur auxiliaire à deux petits pistons différentiels ( 22, 23) comportant lui-même son extrémité ( 18) de la plus petite section raccorde en permanence à la haute pression ( 4 a) et son extrémité ( 17) de commande de la plus grande section raccordé à la sortie ( 32) de l'électrovalve ( 11) vers ladite voie commune ( 28 a, 28 b) sans passer par ledit étrangleur ( 14 a).