Brevet FR2685390A1 — publié le 19930625

"Soupape d'injection susceptible d'être actionnée électromagnétiquement en direction de l'axe longitu- dinal de la soupape" L'invention part d'une soupape d'injection susceptible d'être actionnée électromagnétiquement pour des installations d'injection de carburant, avec une pièce de fermeture de soupape susceptible d'être actionnée par une armature en direction de l'axe lon- gitudinal de soupape, et qui en coopération avec une surface de siège de soupape, forme un ajustement étan- che et comporte en aval de cet ajustement étanche, une surface terminale qui est tournée vers une plaque per- forée comportant au moins un orifice d'injection, tan- dis qu'en partant de l'ajustement étanche, une section transversale d'écoulement pour le carburant est ména- gée entre la surface terminale et la plaque perforée. Par le document US-4 934 605, on connaît déjà une soupape d'injection susceptible d'être ac- tionnée électromagnétiquement qui comporte un pointeau de soupape, lequel est attiré contre un noyau par une armature auquel il est relié lorsqu'une bobine magné- tique est excitée, de sorte que ce pointeau de soupa- pe, avec un ajustement étanche prévu sur lui, se sou- lève d'une surface conique de siège de soupape ménagée sur un corps de buse Le pointeau de soupape comporte un cône terminal se raccordant en direction de l'écou- lement à une partie cylindrique et qui, de son côté, se transforme en un téton terminal à nouveau cylindri- que L'ajustement étanche est réalisé sous la forme d'un arrondi à la transition entre la partie cylindri- que et le cône terminal Le contour de l'arrondi suit la surface enveloppe externe d'un tore imaginaire, centré sur l'axe longitudinal du pointeau de soupape. Le dosage du carburant s'effectue dans les orifices d'injection qui sont disposés dans une plaque perforée recouvrant une ouverture terminale vers l'a- val du corps de buse. L'étroite fente annulaire entre le pointeau de soupape et la surface du siège de soupape devenant libre lors de l'ouverture de la soupape d'injection, conduit à des vitesses d'écoulement élevées du carbu- rant Les pertes d'écoulement se produisant dans la fente annulaire du fait de la viscosité du carburant, dépendent linéairement de la vitesse d'écoulement, de sorte qu'une vitesse d'écoulement élevée dans la fente annulaire conduit à une perte de pression élevée de l'écoulement du carburant. Du fait de la géométrie du pointeau de sou- pape, le vecteur de flux d'impulsion de l'écoulement du carburant est fortement orienté en direction des orifices d'injection sur tout le trajet entre la fente annulaire et ses orifices, grâce à quoi on a une ani- sotropie en ce qui concerne la répartition des quanti- tés de carburant injectées à partir des différents orifices d'injection. Pour l'enregistrement des courbes caracté- ristiques, ainsi que pour vérifier le comportement en service, des essais sont entrepris sur la soupape d'injection avec des fluides de remplacement pour le carburant courant du commerce Pour pouvoir, à partir de ces essais sur modèles, formuler des insertions correctes pour la soupape d'injection, l'analogie hy- draulique doit rester garantie, malgré des valeurs ca- ractéristiques différentes des matériaux, par exemple la viscosité du fluide de remplacement L'orientation du vecteur de flux d'impulsions de l'écoulement du carburant en direction des orifices d'injection, sur le trajet entre la fente annulaire et ses orifices, rend plus difficile le maintien de l'analogie hydrau- lique lorsqu'on utilise des fluides de remplacement. L'invention a pour but de remédier à ces in- convénients et prévoit à cet effet que l'écoulement du carburant s'effectue vers l'axe longitudinal de la soupape entre la surface terminale de la pièce de fer- meture de la soupape et la plaque perforée jusqu'à l'orifice d'injection prévu à au moins un exemplaire, et la surface terminale et la plaque perforée sont ré- alisées de façon telle qu'en partant de l'ajustement étanche il se produit une augmentation de la distance axiale entre la surface terminale et la plaque perfo- rée lorsqu'on se rapproche de l'axe longitudinal de la soupape, de sorte que la section transversale d'écou- lement pour le carburant reste à peu près constante dès l'ajustement étanche jusqu'à l'orifice d'injection prévu à au moins un exemplaire. La soupape d'injection susceptible d'être actionnée électromagnétiquement conformément à l'in- vention, avec les caractéristiques énoncées ci-dessus, présente par contre l'avantage que l'orifice d'injec- tion prévu à au moins un exemplaire, est essentielle- ment alimenté uniquement avec l'énergie de pression. De ce fait, dans le cas o une plaque perforée compor- te plusieurs orifices d'injection, on obtient une ré- partition uniforme des quantités de carburant déli- vrées par les différents orifices d'injection, de sor- te que le cône d'injection produit par la soupape d'injection, a une forme symétrique, et la répartition homogène des gouttelettes qui en résultent, garantit une combustion uniforme du mélange dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne Grâce au vecteur de flux d'impulsions de l'écoulement dirigé parallèlement à la plaque perforée, il se produit un fort changement de direction de l'écoulement dans les orifices d'injection Il peut ainsi être obtenu un dé- collement unilatéral de l'écoulement dans les orifices d'injection Des expérimentations ont montré que de tels décollages de l'écoulement agissent en contrôlant le débit et qu'ainsi la dispersion du débit entre des soupapes d'injection différentes est diminuée. Selon d'autres caractéristiques de l'inven- tion, des compléments avantageux et des améliorations de la soupape d'injection définie ci-dessus sont pos- sibles; la surface terminale en aval de la pièce de fermeture de la soupape, a un évidement en forme de cuvette et sur le côté de la plaque perforée tourné vers la pièce de fermeture de la soupape, il est prévu un évidement en forme de cuvette. C'est ainsi que par une section transversale d'écoulement maintenue constante en direction des ori- fices d'injection à partir d'une fente annulaire à l'ajustage étanche, une accélération de l'écoulement ayant pour conséquence une forte chute de pression, est empêchée Grâce à une augmentation de la distance axiale entre la surface terminale en aval de la pièce de fermeture de la soupape et la plaque perforée, en se rapprochant de l'axe longitudinal de la soupape, une diminution de la section transversale d'écoulement intermédiaire est évitée Ainsi, il ne se produit presque pas d'accélération ou de décélération de l'é- coulement Une accélération insuffisante de l'écoule- ment réduit les pertes d'écoulement dépendant de la vitesse Une décélération insuffisante de l'écoulement réduit les instabilités d'écoulement et des réparti- tions non homogènes devant la plaque perforée. Par un choix approprié de la forme d'un évi- dement sur une surface terminale aval de la pièce de fermeture de la soupape, ou bien sur un côté tourné vers la pièce de fermeture de la soupape de la plaque perforée, on peut influencer de façon adéquate l'écou- lement. Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés de façon simplifiée sur les dessins ci-joints et vont être exposés plus en détail dans la description ci-après. la figure 1 montre le premier exemple de réalisation d'une soupape d'injection réalisée selon l'invention, la figure 2 montre une représentation à plus grande échelle du premier exemple de réalisation de la figure 1, en vue partielle, la figure 3 montre une représentation à plus grande échelle d'un second exemple de réalisation de la soupape d'injection en vue partielle, la figure 4 montre une représentation à plus grande échelle en vue partielle d'un troisième exemple de réalisation de la soupape d'injection. La soupape d'injection représentée à titre d'exemple sur le dessin pour une installation d'injec- tion de carburant d'un moteur à combustion interne à compression de mélange et à allumage par étincelles, comporte un boîtier de soupape 1 en un matériau ferro- magnétique dans lequel une bobine magnétique 3 est disposée sur un support de bobine 2 La bobine magné- tique 3 a une alimentation en courant par l'intermé- diaire d'une prise de courant embrochable 4 qui est incorporée dans un anneau en matière synthétique 5 en- tourant partiellement le boîtier de soupape 1 Le sup- port de bobine 2 de la bobine magnétique 3 est placé dans une chambre de bobine 6 du boîtier de soupape 1 sur une tubulure de raccordement 7 amenant le carbu- rant et qui pénètre partiellement dans le boîtier de soupape 1 Ce boîtier de soupape 1 entoure partielle- ment à l'opposé de la tubulure de raccordement 7, un corps de buse 9. Entre une surface frontale 11 de la tubulure de raccordement 7 et une plaque de butée 12 ayant une épaisseur déterminée pour permettre un positionnement précis de la soupape et qui est placée sur un épaule- ment interne 13 du boîtier de soupape 1, se trouve une armature cylindrique 14 Cette armature 14 est consti- tuée par un matériau magnétique non susceptible de se corroder et se trouve à une distance radiale réduite d'une réduction magnétiquement conductrice du boîtier de soupape 1, en ménageant de cette façon entre l'ar- mature 14 et la réduction, un entrefer magnétique an- nulaire co-axial au boîtier de soupape 1 A partir de ces deux surfaces frontales, l'armature cylindrique 14 est munie d'un premier alésage borgne 15 et d'un se- cond alésage borgne co-axial 16, ce second alésage borgne 16 s'ouvrant vers le corps de buse 9 Le pre- mier alésage borgne 15 et le second alésage borgne 16 sont reliés ensemble par une ouverture co-axiale 17. Le diamètre de l'ouverture 17 est inférieur au diamè- tre du second alésage borgne 16 Le tronçon terminal tourné vers le corps de buse 9 de l'armature 14 est réalisé sous la forme d'une zone de déformation 18. Cette zone de déformation 18 a pour but de relier par interpénétration de formes l'armature 14 avec la pièce de fermeture 27 de la soupape en entourant un corps de maintien 28 formant une partie de la pièce de fermetu- re de soupape 27 et remplissant le second alésage borgne 16 L'entourage du corps de maintien 28 par la zone de déformation 18 de l'armature 14 est obtenu par pressage du matériau de la zone de déformation 18 dans des gorges 29 se trouvant sur le corps de maintien 28. Dans l'exemple de réalisation représenté, la pièce de fermeture de soupape 27 revêt la forme d'un pointeau de soupape. Contre le fond du premier alésage co-axial borgne 15, s'applique l'une des extrémités d'un res- sort de pression 30 qui s'applique, d'autre part, con- tre une garniture tubulaire 31 fixée par vissage ou matage dans la tubulure de raccordement 7 Le ressort de pression 30 sollicite l'armature 14 et donc la piè- ce de fermeture de soupape 27 dans le sens opposé à la tubulure de raccordement 7. La pièce de fermeture de soupape 27 traverse avec un jeu radial, un alésage 34 dans la plaque de butée 12 et est guidée dans un alésage de guidage 35 du corps de buse 9 Dans la plaque de butée 12 il est prévu une fente 37 allant de l'alésage 34 à la péri- phérie de la plaque de butée 12, et dont la largeur libre est supérieure au diamètre de la pièce de ferme- ture de soupape 27 dans sa zone entourée par la plaque de butée 12. La pièce de fermeture de soupape 27 a deux tronçons de guidage 39 et 40 qui assurent le guidage de cette pièce de fermeture de soupape 27 dans l'alé- sage de guidage 35 et qui laisse libre un passage axial pour le carburant Les tronçons de guidage sont par exemple réalisés sous la forme de quatre pans. L'alésage de guidage 35 se transforme à son extrémité avale en une surface de siège de soupape 41 de forme conique Au tronçon de guidage 40 placé en aval de la pièce de fermeture de soupape 27, se raccorde un tron- çon cylindrique 44 de diamètre plus réduit Ce tronçon cylindrique 44 se termine par une surface terminale 48 tournée vers une plaque perforée 46 en forme de ron- delle Cette plaque perforée 46 a au moins un ou par exemple trois orifices d'injection 49 à travers les- quels le carburant est injecté et dosé en aval de la surface de siège de soupape 41, et elle est ajustée dans un évidement 54 du corps de buse 9 et reliée à celui-ci par exemple par soudage ou brasage La tran- sition entre le tronçon cylindrique 44 et la surface terminale 48 est réalisée en forme d'arrondi 50 Cet arrondi 50 de la pièce de fermeture de soupape 27 et la surface de siège de soupape 41 du corps de buse 9 constituent un ajustement étanche 50, 41 Lorsque la bobine magnétique 3 est parcourue par un courant, la pièce de fermeture de soupape 27 se soulève de la sur- face de siège de soupape 41 suivant la direction de l'axe longitudinal 53 de la soupape, et libère une étroite fente annulaire 55 entre la surface de siège de soupape 41 et l'arrondi 50 de la pièce de fermeture de soupape 27, fente à travers laquelle le carburant s'écoule en direction des orifices d'injection 49 Du fait de la section transversale réduite de la fente annulaire 55, le carburant est fortement accéléré dans cette fente. Une chambre d'injection 58 en forme de dis- que délimitée par la plaque perforée 46 et la surface terminale 48 de la pièce de fermeture de soupape 27, est orientée en pratique perpendiculairement à l'axe longitudinal 53 de la soupape Il en résulte un vec- teur de flux d'impulsions 60 caractérisant la puissan- ce et la direction de l'écoulement du carburant, et qui traverse une surface enveloppe imaginaire 65 s'é- tendant parallèlement et concentriquement à l'axe lon- gitudinal 53 de la soupape, et qui a un diamètre 'D' et une étendue axiale "H" entre la surface terminale 48 et la plaque perforée 46, parallèlement à l'axe longitudinal 53 de la soupape, tandis qu'elle est es- sentiellement orientée perpendiculairement à l'axe longitudinal de la soupape La somme des vecteurs d'impulsions en direction de l'axe longitudinal 53 de la soupape et donc en direction des orifices d'injec- tion 49, est par contre nulle, de sorte que les orifi- ces d'injection 49 sont presque exclusivement sollici- tés par l'énergie de pression L'écoulement du carbu- rant à partir des orifices d'injection 49 est en pre- mière approximation, déterminé par la différence de pression entre la chambre d'injection 58 et la chambre externe entourant en aval les orifices d'injection 49, ainsi que par la géométrie des différents orifices d'injection 49. La pression à l'intérieur de la chambre d'injection 58 est une grandeur dans une large mesure indépendante de l'emplacement, de sorte qu'à chaque orifice d'injection 49 règne la même chute de pression et que chaque orifice d'injection 49 délivre une quan- tité de carburant de même importance, tandis que le cône d'injection a la forme symétrique souhaitée La grandeur et la direction de la vitesse de sortie du jet sont avant tout déterminées dans les différents orifices d'injection 49 Une distribution préféren- tielle de carburant par un orifice d'injection indivi- duel 49 est évitée. La conception appropriée de la forme de la surface terminale 48 de la pièce de fermeture de sou- pape 27 comme également celle du côté de la plaque perforée 46 tourné vers la pièce de fermeture de sou- pape 27, permet d'influencer de façon adéquate l'écou- lement du carburant dans la chambre d'injection 58 sans accélérer cet écoulement Grâce à une augmenta- tion de la distance axiale entre la surface terminale 48 de la pièce de fermeture de soupape 27 et la plaque perforée 46, en se rapprochant de l'axe longitudinal 53 de la soupape, on évite en partant de la fente an- nulaire 55 à l'ajustement étanche 41, 50, une diminu- tion de la section transversale d'écoulement intermé- diaire pour le carburant Dans le cas idéal, on ob- tient ainsi une section transversale d'écoulement res- tant constante sans accélération ou décélération de l'écoulement L'absence d'accélération de l'écoulement réduit les pertes d'écoulement dépendant de la vites- se L'absence de décélération de l'écoulement évite les instabilités d'écoulement et les répartitions non homogènes d'impulsions qui en résulteraient en amont des orifices d'injection 49. La figure 2 montre en vue partielle, en tant que premier exemple de réalisation, une représentation agrandie de la zone autour de l'ajustement étanche 41, de la soupape d'injection selon la figure 1 avec une pièce de fermeture de soupape 27 dont la surface terminale 48 comporte en partant de l'arrondi 50, un évidement 61 en forme de cuvette qui sert à maintenir constante la section transversale d'écoulement du car- burant dans la chambre d'injection 58 entre la surface terminale 48 et la plaque perforée 46 avec les pro- priétés précédemment mentionnées Le côté tourné vers la pièce de fermeture de soupape 27 de la plaque per- forée 46 est plan. La figure 3 montre en vue partielle, une re- présentation agrandie de la zone autour de l'ajuste- ment étanche 41, 50 de la soupape d'injection selon un second exemple de réalisation avec une surface termi- nale plane 48 de la pièce de fermeture de soupape 27 et une plaque perforée 46 qui sur son côté tourné vers la pièce de fermeture de soupape 27 comporte un évide- il ment en forme de cuvette 62 Cet évidement en forme de cuvette 62 est réalisé afin que de la façon décrite ci-dessus, la section transversale d'écoulement pour le carburant dans la chambre d'injection 58 soit main- tenue constante lorsqu'on se rapproche de l'axe longi- tudinal de la soupape, de sorte que les propriétés avantageuses décrites sont obtenues. Une action renforcée par rapport aux deux exemples de réalisation exposés ci-dessus, est obtenue avec un troisième exemple de réalisation représenté sur la figure 4 Aussi bien la face tournée vers la pièce de fermeture de soupape 27 de la plaque perforée 46, qu'également la surface terminale 48 de la pièce de fermeture de soupape 27 comportent chacune un évi- dement en forme de cuvette 61, 62 Les deux évidements 61, 62 sont opposés l'un à l'autre Par une conception appropriée de la section transversale dans ces évide- ments 61, 62, on obtient que de la f açon décrite ci- dessus, la section transversale d'écoulement pour le carburant reste constante en partant de la fente annu- laire 55 sur l'ajustement étanche 41, 50 et en se rap- prochant de l'axe longitudinal 53 de la soupape. REVENDICATIONS 1. Soupape d'injection susceptible d'être actionnée électromagnétiquement pour des installations d'injection de carburant, avec une pièce de fermeture de soupape susceptible d'être actionnée par une arma- ture en direction de l'axe longitudinal de soupape, et qui, en coopération avec une surface de siège de sou- pape, forme un ajustement étanche et comporte en aval de cet ajustement étanche, une surface terminale qui est tournée vers une plaque perforée comportant au moins un orifice d'injection, tandis qu'en partant de l'ajustement étanche, une section transversale d'écou- lement pour le carburant est ménagée entre la surface terminale et la plaque perforée, soupape d'injection caractérisée en ce que l'écoulement du carburant s'ef- fectue vers l'axe longitudinal ( 53) de la soupape en- tre la surface terminale ( 48) de la pièce de fermeture ( 27) de la soupape et la plaque perforée ( 46) jusqu'à l'orifice d'injection ( 49) prévu à au moins un exem- plaire, et la surface terminale ( 48) et la plaque per- forée ( 46) sont réalisées de façon telle, qu'en par- tant de l'ajustement étanche ( 41, 50) il se produit une augmentation de la distance axiale (H) entre la surface terminale ( 48) et la plaque perforée ( 46) lorsqu'on se rapproche de l'axe longitudinal ( 53) de la soupape, de sorte que la section transversale d'é- coulement pour le carburant reste à peu près constante dès l'ajustement étanche ( 41, 50) jusqu'à l'orifice d'injection ( 49) prévu à au moins un exemplaire. 2 Soupape selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la surface terminale ( 48) en aval de la pièce de fermeture ( 27) de la soupape, a un évide- ment ( 61) en forme de cuvette. 3. Soupape selon l'une quelconque des re- vendications 1 ou 2, caractérisée en ce que, sur le côté de la plaque perforée ( 46) tourné vers la pièce de fermeture ( 27) de la soupape, il est prévu un évi- dement ( 62) en forme de cuvette.