Brevet FR2541379A1 — publié le 19840824

i 2541379 Perfectionnement aux systèmes d'injection à commande électromagnétique pour moteur Diesel de type pression-temps o l'aiguille de l'injecteur est pilotée par la décharge puis la charge d'une capacité. La présente invention concerne un perfectionnement aux soupapes d'injection de carburant à commande électromagnétique pour moteurs à combustion interne, notamment pour moteurs Diesel, o il est prévu que l'aiguille d'injec- teur ou pulvérisateur soit ouverte par la chute de pression d'une capacité de commande par l'intermédiaire d'une conduite de décharge et fermée par la remise en pression de ladite capacité, la décharge et la charge de la capacité étant réalisée à l'aide d'une électrovanne à trois voies. De telles soupapes d'injection de carburant peuvent être communément appelées "injecteur à pression constante" puisque c'est la pression qui règne en permanence en amont du siège de l'aiguille d'injecteur qui permet à l'ai- 1, guille de se lever lorsque la capacité de commande située en dessus de ladite aiguille est déchargée De nombreux brevets font état de tels systèmes d'in- jection mais on peut leur faire deux reproches principaux. Tout d'abord, ces systèmes d'injection employés sur des moteurs à injec- tion directe donnent très souvent lieu à une combustion très bruyante; en effet, le gradient du débit instantané ou taux d'introduction est très élevé dès le début de l'injection puisque la haute pression constante est immédiate- ment présente en amont des trous de pulvérisation du combustible, ce qui a pour conséquence d'entraîner l'introduction d'une grande quantité de combus- tible dans la chambre de combustion avant le début d'inflammation; le combus- tible présent dans le cylindre à l'instant d'inflammation se trouvant en plus grande quantité qu'avec un système d'injection classique, le gradient de la pression cylindre est très élevé en début de -combustion, ce qui a pour consé- quence de la rendre bruyante. Ensuite, le pilotage par une électrovanne trois voies est généralement 3 O tel que l'ouverture de l'aiguille d'injecteur est souvent conjointe avec le mouvement de l'électrovanne, ce qui occasionne des difficultés pour pouvoir dominer le dosage stable et répétitif des très petites quantités injectées. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précédents en permettant d'une part, de moduler la loi d'injection et de la transformer en loi trapézoïdale au lieu d'une loi presque rectangulaire, et d'autre part, 2 2541379 d'assurer une maîtrise complète des petits débits injectés, autorisant même la réalisation de pré-injection, c'est-à-dire, autorisant l'injecteur à fonctionner deux fois pour la même injection, une première fois avant le délai d'inflammation pour introduire une très petite quantité de combustible, et une deuxième fois pour permettre l'introduction de la grande partie du combustible, cette dernière introduction débutant presque en phase avec l'inflammation. Pour cela l'invention prévoit d'adjoindre au dispositif un moyen pour étrangler le passage assurant la chute de la pression dans la cavité de commande sans étrangler ce passage lors de la remontée en pression, de telle manière que l'aiguille d'injecteur ne commence à se mouvoir qu'après le mouvement complet de l'électrovanne. D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris comme exemple et illustré sur le dessin annexé, sur lequel: la fig 1 est un schéma simplifié correspondant à un des injecteurs; les fig 2 a, 2 b, 2 c représentent les courbes de variation en fonction du temps, respectivement de la tension de commande de l'électrovanne, des pres- sions et de la levée d'aiguille; et les fig 3 a, 3 b, 3 c, 3 d ces mêemes courbes de variation, respectivement de la tension et du courant de commande, des pressions et de la levée d'ai- guille, dans le cas d'une injection avec pré-injection. Comme illustré sur-la fig 1, le dispositif est constitué classiquement d'un corps 1 non détaillé ici dans lequel peuvent se monter un injecteur classique 2 et son aiguille 3 Une cale 4, judicieusement disposée, permet de réaliser la butée de l'aiguille 3 Le corps 1 est encore agencé pour recevoir une électrovanne à trois voies 17 et il comporte par ailleurs un alésage 9 dans lequel est monté un piston 13 En outre, dans l'axe de l'alésage 9, un logement 18 est ménagé dans le corps 1 lui permettant de recevoir un ressort 5, dit ressort de tarage, qui prend appui sur le fond supérieur du logement 18 et agit sur une collerette 21 solidaire d'un poussoir 6, lequel pousse sur le sommet 19 de l'aiguille 3 de l'injecteur 2 Le fond 8 de l'alésage 9 est spécialement agencé d'une part, pour être en communication par le conduit 14 avec la sortie Y de l'électrovanne trois voies 17 et, d'autre part, pour former appui à un clapet 10, percé par un ajutage 11 et qui, en position de 3 2541379 repos, est en appui sur une portée plane 23, perpendiculaire à l'axe dudit alésage 9, grâce à un ressort 12 prenant appui sur la tête d'un piston 13 spécialement aménagée. Le corps 1 comprend également un conduit d'arrivée 16 par lequel pénètre le combustible sous haute pression constante, cette pression étant fournie par un système de pompe et de régulateur de pression, non représenté ici Du conduit 16 partent deux dérivations, une première 22 permettant au combustible sous haute pression de pénétrer dans l'électrovanne trois voies par son entree X et une seconde 15 pernettant au combustible d'arriver dans la capa- cité 24 située autour de l'aiguille 3 dans l'injecteur 2. Le corps 1 eo;nprend encore un conduit 20 relié au retour au réservoir et qui est lui-même en liaison avec la sortie Z de l'électrovanne trois voies ainsi qu'avec le conduit 25 relié à la chambre 18 Enfin, pour comprendre le fonctionnement, il faut égalemnt préciser que l'électrovanne 17 est agencée de telle manière qu'en position de repos, c'est-à-dire non électriquement excitée, les conduits X et Y sont en liaison directe autorisant le combus- tible sous pression, pénétrant dans le corps 1 par le conduit 16, à arriver dans le conduit 14 et qu'inversement en position excitée par un courant électrique, son entrée-X est obturée tandis que Y et Z sont en relation autorisant une communication entre le conduit 14 et le retour aux fuites 20. Le corps 1 est par ailleurs, spécialement agencé pour comporter une capacité 27 en série sur le conduit 15 et placée selon-la conception de l'injecteur 2 le plus près possible de la capacité 24 située autour de l'ai- guille 3. A l'aide des fig 2 a à 2 c,-on comprendra mieux ie fonctionnement Le système étant au repos sous pression P l'aiguille 3 est en appui sur son siège avec une force fr telle que: fr =R -r+ 2 -02 _ (D -d)P r =F 4 c 4 FR étant la force du ressort, d et D les diamètres respectifs de l'aiguille à son siège et à son guidage et XC le diamètre du piston 13 dit piston de commande Cet équilibre peut se réaliser car conjointement à la présence de combustible sous haute pression dans la capacité 24, la même haute pression P est établie dans la chambre de-commande 26 formée par le haut du piston 13 et le fond de l'alésage 9 Théoriquement, il y aurait lieu de rajouter à cette 4 2541379 force fr la force développée par le ressort 12 mais ce dernier développe des efforts négligeables par rapport à FR et aux effets de la pression sur le piston 13. Lorsque le courant est établi dans la bobine de l'électrovanne 17 l'in- jection se déroule de la manière suivante: l'électrovanne a pour rôle de bloquer le passage du combustible de X vers Y et de permettre au combustible de passer de Y vers Z, donc conjointe- -ment à l'augmentation de surface de la section de passage de Y vers Z, la pression dans le conduite 14 chute, du fait de l'ajutage 11 ménagé dans le clapet 10, la pression dans la cavité de commande 26 chute relativement lentement, et lorsque cette pression atteint une valeur P 2 telle que 1 f P 26 (D d) P FR c'est-à-dire lorsque les forces sur les pièces mobiles 3, 6 et 13 s'équilibrent, l'aiguille d'injecteur commence à s'ouvrir - Dès que l'aiguille s'est levée d'une faible hauteur, son mouvement est accéléré par une force supplémentaire égale à or d 2 P due à la pression sur la surface de son siège. Comme dans le fonctionnement d'une aiguille d'injecteur d'un système d'injection classique, cette force devrait accélérer très rapidement l'aiguille d'injecteur, mais l'ajutage Il du clapet 10 est judicieusement dimensionné pour laminer le débit de combustible refoulé de la capacité 26, c'est-à-dire que du temps t 1 au temps-t 2, comme on peut le voir sur la fig 2, soit une course de l'aiguille correspondante à C 1, cette dernière par l'intermédiaire du piston 13 comprime le volume de la capacité 26, puis c'est ensuite le débit du combustible à travers l'ajutage Il qui limite la vitesse de déplacement de l'ensemble aiguille 3, poussoir 6 et piston 13 Après la levée très rapide de t 1 à t 2 on a donc une levée beaucoup plus lente de t 2 à t 3, la pente CC de la courbe de levée de l'aiguille en fonction du temps pouvant aisément être modulée par ajustement du diamètre de l Tajutage 11: plus l'ajutage est petit, plus l'angle Q l'aiguille sera rapide. En fonction de ce qui précède, on peut comprendre la très grande impor- tance du volume de la capacité de commande 26 et du dimensionnement des différentes pièces du système, en particulier du diamètre du piston 13, pour 2 5241379 que les performances précédentes soient garanties en fonction des diamètres D et d d'aiguille d'injecteurs classiques du commerce. Une fois l'aiguille levée, la pression P régnant dans la capacité 26 tombe à la pression de fuites. En fin d'injection, l'excitation de l'électrovanne est interrompue au temps t et le combustible sous haute pression entrant dans l'électrovanne par X et sortant par Y est conduit par le conduit 14 au-dessus du clapet plan 10. Le ressort 12 étant très faible, il se trouve immédiatement comprimé et le clapet plan 10 vient en appui sur la tête du piston dégageant totalement toute la section du conduit 14 et autorisant ainsi la haute pression de combustible à s'exercer sur toute la surface du piston 13 Lorsque la pres- sion atteint un niveau P 26, f tel que: I02 P +F + k C= D 2 P 4 c 26,f R 4 (k étant la constante du ressort et C la levée de l'aiguille d'injecteur), l'injecteur commence à se refermer, fermeture qui est très rapide puisque la pression dans la chambre 26 augmente très rapidement, la pleine section de passage de l'éleetrovanne de X vers Y étant découverte. Sur les fig 2 a à 2 c on peut par ailleurs voir que si l'on excite l'élec- trovanne pendant un temps t correspondant uniquement à son temps de réponse, -c'est-a-dire, un temps tel qu'elle puisse pleinement s'ouvrir puis immédiate- ment se refermer, on est capable de dominer de très courtes levées d'aiguille correspondant à de très faibles quantités injectées, ceci à condition que les performances du type d'é 4 ectrovanne utilisé soient suffisantes et que l'en- semble du système sof:t judicieusement dimensionné pour que l'aiguille de l'injecteur ne commence son mouvement qu'après le mouvement propre de l'élec- trovanne. On constate sur la fig 2 c que le temps To d'ouverture de l'aiguille 3 d'injecteur est supérieur au temps TF de fermeture de ladite aiguille c'est la caractéristique de dynamique d'un système dit à "zéro" positif, c'est-à-dire dont la courbe caractéristique débit par coup en fonction du temps d'ouver- ture pour ledit débit est linéaire hors de sa partie balistique et que le prolongement de ladite partie linéaire coupe l'axe des temps à une valeur positive, il est conu en effet, que seuls les sytèmes ayant une telle dynamique peuvent autoriser des très faibles débits stables et répétitifs. 2 2541379 Sur la fig 2 b est par ailleurs représentée pour mémoire l'allure de la pression P 14 dans le conduit 14 en amont de l'entrée Y de l'électrovanne; on peut voir que si cette pression chute plus rapidement que la pression P 26 à l'ouverture de l'injecteur, elle est confondue avec P 26 à la fermeture de l'aiguille de l'injecteur. Selon la description précédente, on peut simplifier dans une première approximation, le mouvement de l'aiguille en énonçant que le mouvement de l'aiguille est une fonction directement dépendante du débit q qui passe dans l'ajutage 11 pendant l'ouverture de l'aiguille d'injecteur Ce débit est de la forme - q = S 2 (P P ( 2 I étant le coeffient de débit de l'ajutage 11 de section S et 9 la masse volumique du combustible, elle-même fonction de la température et de la pression du combustible On voit donc qu'en faisant varier la section S de l'ajutage 11, on peut aisément fare varier la pente Ct, de la courbe de levée d'aiguille, ce qui modifie le débit instantané ou le taux d'introduction en début d'injection. Les fig 3 a à 3 d illustrent l'application de l'invention du perfectionne- ment à un système du même type utilisant le fonctionnement avec préinjection, particulièrement approprié puisque l'invention permet de dominer parfaitement le dosage des petites quantités-injectées et de le faire très rapidement La théorie et la technique de pré-injection sont connues mais difficilement réalisables avec un système mécaniques On peut résumer simplement son fonction- nement en disant que l'on injecte tout d'abord une petite quantité q de combustible avec un calage d'avance classique, puis, dès que cette petite quantité est enflammée, on injecte très rapidement la quantité principale Q de combustible, c'est-à-dire que l'injection principale a lieu après le début de la première injection, le temps entre le début des deux injections étant de l'ordre de grandeur du délai d'inflammation, c'est-àdire pour des moteurs de voitures particulières ou de véhicules industriels, un temps de l'ordre de 400 à 600 microsecondes, temps fonction bien évidemment des conditions de charge et de vitesse du moteur. La fig 3 a donne les signaux de commande de l'électrovanne et les évolu- tions de ses sections de passage, à titre indicatif. i 2541379 La fig 3 b donne une solution possible pour l'allure du courant de com- mande de l'électrovanne. La fig 3 c donne la variation de pression dans la cavité de commande 26, et la fig 3 d, les mouvements correspondants de l'aiguille dont on peut déduire simplement, par analogie avec la fig 2 c, le taux d'introduction. Pour une telle utilisation, on a intérêt à ce que l'injection principale Q soit la plus rectangulaire possible de façon à injecter la quantité correspo dante très rapidement L'ajutage il du clapet 10 doit alors être assez grand pour que la pente CK soit élevée Il est à remarquer que, pour garantir un fonctionnement stable même dans cette condition de fonctionnement, l'élec- trovanne est toujours pleinement ouverte avant le début de levée d'aiguille. Par ailleurs, le corps l est spécialement agencé avec la capacité 27 qui a pour rôle de minimiser la chute de pression d'alimentation à l'ouverture de l'injecteur et d'amortir les phénomènes de coup de bélier aux ouvertures et fermetures successives de l'aiguille d'injecteur. REVENDICATIONS 1 Système d'injection de carburant à commande électromagnétique pour moteur Diesel dans lequel une électrovanne à trois voies ( 17) est disposée dans le porte-injecteur, l'aiguille ( 3) de l'injecteur étant commandée lors de son ouverture par la chute de pression du combustible contenu dans la cavité de commande ( 26 y, le système étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un moyen ( 10, 11, 12) pour étrangler le passage ( 14) assu- rant la chute de la pression dans la cavité de commande ( 26) sans étrangler ce passage lors de la remontée en pression, de telle manière que l'aiguille $O ( 3) de l'injecteur ne commence à se mouvoir qu'après le mouvement complet de l'électrovanne ( 17). 2 Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit moyen est constitué par un clapet (lO) à ressdrt de rappel ( 12) monté entre la sortie de la cavité de commande ( 26) et le siège de l'élec- trovanne ( 17) et fonctionnant comme un clapet anti-retour combiné avec une forte perte de charge ( 11) en parallèle. 3 Système d'injection selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite perte de charge est constituée par un ajutage ( 11) percé directe- ment à travers le clapet ( 10) pour déboucher dans le passage ( 14) d'entrée dans la cavité de commande ( 26) et dont le diamètre est déterminé en fonction de la loi d'injection désirée. 4 Système d'injection selon une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que le volume de la cavité de commande ( 26) entre le clapet ( 10) et le piston de commande ( 9) est aussi réduit que possible. 5 Système d'injection selon une des revendications précédentes, ca- ractérisé par -le fait que le corps d'injecteur comporte une capaceité d'amor- tissement ( 27) aussi proche que possible de la capacité ( 24) entourant l'ai- guille ( 3) et de l'orifice d'injection. 6 Système d'injection selon une des revendications précédentes, ca- ractérisé par le fait que ses constituants sont choisis et dimensionnés de telle manière que son temps minimum de fonctionnement pour une ouverture et une fermeture immédiate soit très court, de l'ordre de 200 microsecondes. 7 Système d'injection selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il est agencé pour fonctionner en pré-injection, le début de l'injection principale (Q) intervenant environ 400 à 600 microsecondes après le début de a pré-injection (q). la pré-i-njection (q):