Brevet FR2720119A1 — publié le 19951124

La présente invention se rapporte à un système d'injection destiné à délivrer par intermittence un mélange carburant, notamment un mélange d'essence, dans les chambres de combustion de moteurs à combustion interne, ainsi qu'à un procédé de mise en action de ce système. Les systèmes usuels d'injection de carburant créent la forte pression nécessaire pour introduire le carburant dans les chambres de combustion de moteurs à combustion interne, de moteurs Diesel par exemple, au moyen de pompes qui sont entraînées directement par le moteur. Lorsque la vitesse du moteur est faible, le débit de la pompe peut devenir insuffisant et le dosage du carburant devenir incorrect, ce qui provoque une perte de puissance et augmente l'émission d'agents polluants. La plage de réglage de ces systèmes d'injection connus est étroite. En outre, ces systèmes sont sujets à des pannes parce qu'ils comprennent un grand nombre d'éléments et/ou pièces en mouvement. Les systèmes d'injection dits Common Rail" (à branche commune), qui comportent une pompe centrale délivrant le carburant sous forte pression à un réservoir, d'o il est envoyé continuellement et sans à- coups par des tubulures aux soupapes d'injection, rendent l'injection indépendante des variations de la pression qui se produisent avec des pompes usuelles entrainées directement par le moteur, quand la vitesse de celui-ci varie fortement. On connaît un système d'injection du type "Common Rail" (voir The electronicallv controlled dynamic rail injection system (DIS) GanserHydromag) [Système d'injection dynamique à commande électronique] dans lequel le carburant d'un réservoir est délivré au moyen d'une pompe haute pression à un ensemble encombrant de tubulures qui communiquent avec les soupapes d'injection. Ces soupapes peuvent être actionnées hydrauliquement, des vannes électromagnétiques commandant leur ouverture et leur fermeture en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur. Un défaut de ce système d'injection est la valeur élevée de la pression qui y est établie ainsi que le fait que la forte pression créée par la pompe est appliquée sur toute la longueur des tubulures et jusqu'aux orifices d'injection des soupapes, même quand il ne se produit pas d'injection et qu'il peut par conséquent y avoir des fuites de carburant, par exemple aux points de jonction des tubulures et aussi dans les chambres de combustion, par les orifices d'injection fermés. La forte pression oblige à augmenter le poids des éléments du système, pour des raisons de sécurité dont il faut tenir compte pendant la conception du système, et elle pose des problèmes pour le réglage. On connaît par la demande de brevet DE-A1-2 441 841 un système d'injection pour moteur à combustion interne, dans lequel une pompe à carburant et un injecteur sont intégrés dans un même corps et dans lequel le carburant d'une chambre de dosage est injecté dans la chambre de combustion du moteur grâce à un déplacement axial d'une aiguille obturatrice à l'aide d'un piston pilote et d'un générateur de pression de poussée. L'aiguille obturatrice comporte un ressort de rappel. Dans ce système d'injection connu, la fonction de commande de l'obturateur ne peut être séparée de la marche de la pompe, si bien que la capacité de variation du pilotage et de la pression est très limitée. Ce système d'injection connu ne permet pas d'éliminer le problème posé par le prix élevé de réalisation, conséquence de la forte pression qui existe dans les systèmes du type "Common Rail". On connaît par la demande de brevet DE-A1-4 027 493 un injecteur pour moteur à combustion interne, dans lequel l'aiguille obturatrice est soumise, à intervalles successifs, à l'action de deux ressorts de fermeture différents afin de régler dans le temps la pression d'injection. La présente invention a pour but de fournir un système d'injection destiné à délivrer par intermittence un mélange carburant dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne, et un procédé d'actionnement de ce système, qui permettent d'exécuter aisément les réglages et d'utiliser des éléments normalisés pour les pompes par exemple, de réduire le poids et de supprimer les fuites. Ce but est atteint grâce à un système d'injection de carburant comportant un injecteur et une pompe d'injection qui sont logés dans un même corps en formant une soupape d'injection, laquelle comporte un organe obturateur qui est mobile dans le sens de l'axe longitudinal de cette soupape de manière à dégager et fermer un orifice d'injection et dont l'extrémité opposée à cet orifice est solidaire d'un piston qui coulisse axialement dans un alésage cylindrique du corps, le côté de ce piston orienté vers l'orifice formant avec cet alésage une chambre pilote ou de commande, qui peut être soumise à l'action d'un liquide sous pression, la soupape comportant encore un piston pilote en forme de manchon, coaxial à l'organe obturateur, dont une extrémité pénètre dans la chambre pilote et dont l'autre extrémité pénètre dans une chambre de dosage du carburant située en amont de l'orifice d'injection, le côté du premier piston opposé à cet orifice et le côté du piston pilote en forme de pointeau ou d'aiguille tourné vers ledit orifice étant soumis à l'action de ressorts de compression respectifs, et le carburant qui provient d'une source sous forte pression étant délivré à la chambre de dosage par l'entremise d'un robinet à deux voies. Le système d'injection selon l'invention comporte donc des soupapes d'injection actionnées hydrauliquement, qui contiennent chacune un obturateur et un piston. Un mélange carburant (notamment un mélange d'essence) est délivré continuellement à ces soupapes sous une pression déterminée. Un obturateur et un piston délimitent une chambre pilote de volume variable,qui est reliée à volonté par un robinet à deux voies, soit à un dispositif destiné à délivrer un liquide sous une pression pl, sort à un conduit d'un liquide à pression pO beaucoup plus faible. Un premier ressort de compression agit sur l'obturateur et un second ressort de compression agit sur le piston, le premier ressort ayant une constante de rappel plus grande que le second. Conformément à l'invention, la quantité de mélange carburant introduite à chaque injection est déterminée par la durée de la position active du robinet qui alimente la chambre pilote. Si cette chambre est mise en communication avec la conduite du liquide à la pression pO, le premier ressort applique l'obturateur contre un orifice d'injection, si bien qu'il n'est pas injecté de carburant. En même temps, le second ressort éloigne le piston pilote de cet orifice, ce qui augmente le volume de l'espace situé en amont dudit orifice et y fait diminuer la pression (fin rapide de l'injection, sans post- injection). Si la chambre-pilote est mise en communication avec la conduite de liquide à la pression pl, l'obturateur est écarté de l'orifice d'injection, si bien que du carburant est injecté. En même temps, le liquide à la pression pl pousse le piston pilote vers cet orifice, ce qui réduit l'espace en amont de ce dernier en faisant augmenter rapidement la pression avec laquelle le mélange carburant est projeté par l'orifice. Le système d'injection selon l'invention fonctionne sous une pression notablement plus faible qu'un système du type "Common Rail" usuel, provoque moins de post-injection dans les chambres de combustion du moteur et crée moins de fuites aux points de jonction. Il peut être équipé d'éléments normalisés, notamment d'une pompe normalisée, et est donc fabriqué à meilleur prix et peut avoir un poids plus faible qu'un système d'injection destiné à fonctionner sous une pression plus élevée. L'huile pour appareils hydrauliques ou pour moteurs qui est utilisée conformément à l'invention est un agent de transmission des pressions pO et pl/ particulièrement approprié pour actionner le système d'injection. La pression pi du liquide actionnant le système d'injection selon l'invention peut être créée au moyen d'une pompe actionnée mécaniquement, par exemple une pompe à plongeur "Nokken". Une vanne électromagnétique montée sur cette pompe permet de limiter la valeur de la pression pl dans le système. La pression pl de l'huile qui alimente le système d'injection selon l'invention peut aussi être obtenue dans un réservoir central, ce qui permet de disposer d'une huile sous une.-. pression constante, indépendante de la vitesse du moteur. Conformément à une caractéristique avantageuse du système d'injection selon l'invention, le carburant est délivré, mélangé à un autre liquide approprié, l'eau par exemple, dans une conduite commune disposée en amont de l'orifice d'injection. Il est possible de moduler la pression dans la chambre pilote au moyen d'un organe étrangleur monté dans la conduite qui fait communiquer le robinet et cette chambre et d'une conduite de dérivation montée en parallèle et donc de régler l'injection de façon à réduire la consommation de carburant et l'émission d'agents polluants. Il est particulièrement simple de piloter le système d'injection selon l'invention en manoeuvrant un robinet à deux voies et, si nécessaire, un organe étrangleur. L'invention va être décrite ci-dessous à propos d'exemples de réalisation représentés sur les dessins, sur lesquels la figure 1 est une coupe d'un système d'injection selon l'invention, représenté dans une phase 1; la figure 2 est une coupe analogue du système d'injection dans une phase 2; la figure 3 est une coupe d'une variante de réalisation du système d'injection selon la présente invention; et le robinet/distributeur à deux voies apparaît à chaque fois sur la droite des figures 1, 2 et 3. Les figures 1 et 2 sont des coupes d'un système d'injection selon l'invention, représenté dans deux phases respectives d'un cycle d'injection, aucune injection n'ayant lieu dans la phase 1 et le mélange carburant (ou essence) étant injecté(e) dans la phase 2. La soupape d'injection 1 représentée est l'une des soupapes du système d'injection d'un moteur à combustion interne (non représenté) à plusieurs cylindres, notamment un moteur Diesel. Le mélange carburant sous pression provenant d'un réservoir (non représenté) du système est délivré à la soupape 1 par un conduit 2. Cette soupape 1 comporte un corps 3 présentant au moins un orifice d'injection 4 et un obturateur 5 à symétrie de révolution. Cet obturateur 5 est monté dans le corps 3 de façon à pouvoir être déplacé dans ce corps 3 dans le sens de l'axe longitudinal de celui-ci pour dégager ou fermer l'orifice 4. Le corps 3 est avantageusement en deux parties. Dans une partie 6, opposée à l'orifice d'injection 4, il présente une cavité cylindrique 7 de diamètre dl. La partie 8 du corps, qui comporte l'orifice 4, présente à son tronçon inférieur adjacent à cet orifice un alésage 9 central de diamètre d2, et, dans un tronçon médian adjacent à la partie 6, un alésage central 10 de diamètre c. Le diamètre dl est plus grand que les diamètres d2 et c et ce diamètre c est plus grand que d2. L'obturateur 5 a, du côté de l'orifice 4, la forme et/ou le rôle d'un pointeau ou d'une aiguille. Cet obturateur présente, du côté opposé à l'orifice d'injection 4, une tête 11 en forme de piston, qui le guide dans la cavité cylindrique 7 de la partie 6 du corps 3. Cette tête 11 a en coupe la forme d'un E s'ouvrant vers l'orifice 4, dont les branches extérieures 12 peuvent venir s'appliquer contre un épaulement plan 13, qui est formé par un décrochement du corps 3. Un canal radial 14 est percé dans l'une de ces branches extérieures 12 de la tête 11. Le corps 3 comporte des canaux 19 de fuite d'huile et/ou d'aération. Dans la cavité cylindrique 7 de la partie 6, la tête 11 de l'obturateur 5 délimite avec le corps 3 une chambre 15, dans laquelle débouche un canal 16 d'aération. Un premier ressort 17 de compression, coaxial à cet obturateur 5, s'appuie contre le corps 3 et contre cette tête 11 et applique ledit obturateur 5 contre l'orifice d'injection 4. La soupape 1 contient un piston creux 20, qui est disposé coaxialement à l'obturateur 5. La tête 11 et ses branches extérieures 12 délimitent avec la face d'extrémité 21 de ce piston 20 (figure 2) une chambre pilote 22. Le piston 20 présente un alésage de diamètre constant et coulisse hermétiquement sur l'obturateur 5. Ce piston 20 présente une surface extérieure étagée et comporte, dans une partie 23 de faible diamètre, adjacente à l'orifice d'injection 4, une face d'extrémité 24 cylindrique et, du côté adjacent à la tête 11, une face d'extrémité 21 cylindrique de plus grand diamètre. Il est ajusté serré dans les alésages centraux 9 et 10 du corps 3 de façon que du liquide ne puisse passer entre lui et ce corps. Il présente sur sa périphérie un épaulement de butée 26, qui coopère avec un second ressort 27 de compression disposé dans la partie 8 du corps 3. Ce second ressort 27 s'appuie contre un épaulement 28 formé par le décrochement entre l'alésage 9 et l'alésage 10. Il présente une constante de rappel beaucoup plus faible que celle du premier ressort 17. Une conduite 30 débouche dans un alésage radial 31 de la partie 6 du corps 3. Elle porte un distributeur 32 à 3 orifices et 2 voies, qui est par exemple un distributeur électromagnétique et qui la fait communiquer, soit avec une conduite 34 d'huile sous la pression pl, soit avec une conduite 33 d'huile à la pression pO, qui est en particulier la pression ambiante. La pression pl est beaucoup plus élevée que cette pression pO. L'agent sous pression peut être une huile pour appareils hydrauliques ou une huile pour moteurs. La pression pl peut être créée par une pompe mécanique usuelle ou être celle, indépendante de la vitesse du moteur, de l'huile d'un réservoir commun à plusieurs soupapes d'injection. Une électrovanne (non représentée) peut être prévue pour couper la pression pl créée par la pompe mécanique. Une soupape de retenue 38 montée dans la conduite 2 empêche le mélange carburant qui se trouve dans l'alésage 9, en amont de l'orifice d'injection 4,de refluer dans cette conduite. Le mélange carburant est composé avantageusement du carburant et d'un second liquide approprié, de l'eau par exemple. Le système d'injection selon l'invention fonctionne de la manière suivante: Pendant la marche du moteur, il y a continuellement du mélange carburant sous forte pression dans la conduite 2 et dans l'alésage central 9 de la soupape d'injection 1. Dans la phase 1, le premier ressort 17 applique l'obturateur 5 contre l'orifice d'injection 4 par l'entremise de la tête 11, si bien que la soupape 1 n'exécute pas d'injection. Le canal radial 14 de la tête 11 et le canal 31 de la partie 6 du corps 3 sont alignés et le distributeur 32 fait communiquer la chambre pilote 22 avec la conduite 33 d'huile sous la pression p0. La poussée du carburant sous pression de l'alésage central 9 et le second ressort 27 éloignent le piston 20 de l'orifice 4 et le repoussent contre la tête 11 de l'obturateur 5. Dans la phase 2, le canal 14 de la tête 11 de l'obturateur 5 communique avec le canal 31 de la partie 6 du corps 3. Le distributeur 32 occupe une position dans laquelle la chambre pilote 22 communique, par ce canal 34 et la conduite 30, avec la source d'huile à la pression pl,et la poussée appliquée sur la tête 11 écarte l'obturateur 5 de l'orifice d'injection 4, contre l'action du premier ressort 17. Le piston de la tête 11, qui fait corps avec cet obturateur 5, est appliqué contre une face d'extrémité 18 de la partie 6 du corps 3. L'huile sous la pression pl de la chambre pilote 22 repousse le piston 20 vers l'orifice d'injection 4, contre l'action du second ressort 27, ce qui diminue le volume en amont de cet orifice 4, si bien que le mélange carburant de l'alésage central 9 est chassé et sort sous une plus grande pression par ledit orifice. La durée de la position d'inversion du distributeur 32 détermine la quantité de mélange délivrée à chaque injection. Lorsque le cycle d'injection est terminé, le distributeur 32 revient à la position de la phase 1. Le canal 14 de la tête 11 de l'obturateur 5 communique avec le canal 31 de la partie 6 du corps 3. Le premier ressort 17 applique cet obturateur 5 contre l'orifice d'injection 4 par l'entremise de cette tête 11, de façon qu'il n'y ait pas d'injection. Le second ressort 27 éloigne le piston 20 de l'orifice 4, ce qui augmente le volume en amont de cet orifice en y réduisant rapidement la pression. La figure 3 est une coupe d'une variante de réalisation du système d'injection selon l'invention, dont la soupape 41 d'injection correspond à la soupape 1 décrite en relation avec les figures 1 et 2. Les éléments de cette variante qui sont homologues aux éléments correspondants des figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes nombres de référence. La conduite 30 de la soupape 41 porte un organe étrangleur 42 - réglable,-qui permet de modifier progressivement la section utile de cette conAduite- Celle-ci présente, entre cet organe 42 et le distribu-. teur"32;(de type3/2) et entre l'organe étrangleur 42 et le canal 31--- dirigé-radialement-du corps 3, des points de jonction 43, 44 d'une con- duite de dérivation 45. Celle-ci comporte une soupape de retenue 46, - qui emî iche le liquide de passer par cette-conduite 45, du distributeur 32 au canal 31, mais lui permet d'y passer, de ce canal à ce distribu- - teur. Les phases 1 et 2 du fonctionnement de la variante de la figure 3 concordent avec les phases correspondantes du système d'injection des figures 1 et 2. Lorsque le distributeur 32 est amené à la position de passage de l'huile à la pression pl, l'organe étrangleur 42 permet de faire augmenter la pression dans la chambre pilote 22 de la soupape 41, rapidement si la section de passage est peu réduite, ou lentement si cette section est fortement réduite. L'obturateur 5 dégage l'orifice d'injection 4 conformément à cette augmentation de pression. Le fait que le débit correspondant à une pression réduite dans les orifices de l'injecteur soit faible (injection "molle") est important, car il permet de régler l'injection. Il est possible de faire tomber rapidement la pression dans la chambre pilote par l'entremise de la conduite de dérivation 45, si bien que l'obturateur 4 peut rapidement fermer l'orifice d'injection 4, quelle que soit la position de l'organe étrangleur 45. Il va de soi qu'il est possible, sans s'écarter du domaine de l'invention, d'apporter diverses modifications aux systèmes d'injection représentés et décrits. REVENDICATIONS 1. Système d'injection pour moteur à combustion interne, système caractérisé en ce qu'il comporte un injecteur et une pompe d'injection qui sont intégrés dans un corps commun (3) en formant une soupape d'injection (1), laquelle comporte un organe obturateur (5) qui peut être déplacé suivant l'axe longitudinal de cette soupape de manière à dégager ou fermer un orifice d'injection (4) et dont l'extrémité opposée est solidaire d'un piston (11) qui coulisse axialement dans un alésage cylindrique (7) du corps (3), le côté de ce piston (11) orienté vers l'orifice (4) formant avec cet alésage une chambre pilote (22) qui peut être soumise à l'action d'un liquide sous pression, la soupape (1) comportant encore un piston pilote (20) en forme de manchon, coaxial à l'organe obturateur (5) en forme de pointeau, dont une extrémité pénètre dans la chambre pilote (22) et dont l'autre extrémité pénètre dans une chambre de dosage du carburant située au-dessus de l'orifice d'injection (4), le côté du piston (11) opposé à cet orifice (4) et le côté du piston pilote (20) tourné vers ledit orifice étant soumis à l'action d'un ressort de compression (17, 27) respectif, et le carburant qui provient d'une source sous forte pression (pl) étant délivré à la chambre de dosage par l'entremise d'un robinet (32) à deux voies. 2. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression pilote ou de commande est créée au moyen d'huile pour appareils hydrauliques ou d'huile pour moteurs. 3. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le robinet (32) est un distributeur électromagnétique 3/2 (à 3 orifices et 2 voies). 4. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif qui fournit l'huile sous la pression pl comprend une pompe actionnée mécaniquement, qui est équipée d'une soupape électromagnétique destinée à faire tomber la pression. 5. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif qui fournit la pression pl comporte un réservoir central d'huile sous pression. 6. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange carburant contient un liquide, de l'eau par exemple. 7. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la conduite (30) disposée entre la chambre pilote (22) et le distributeur. (32) contient un orgne.._ d'étranglement (42) réglable et une conduite de dérivation (45) à soupape de retenue (46). 8. Procédé de mise en action d'un système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait communiquer la chambre pilote (22) avec le dispositif qui fournit l'huile à la pression pl, de façon que l'organe obturateur (5) dégage l'orifice d'injection (4), et que le piston pilote (20) se rapproche de cet orifice en injectant le mélange carburant, puis l'on fait communiquer la chambre pilote (22) avec la source d'huile à la pression pO de façon que l'organe obturateur (5) ferme l'orifice d'injection (4) et que le piston pilote (20)s'éloigne de cet orifice (4) en faisant diminuer la pression et qu'il ne se produise plus d'injection. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on manoeuvre un organe étrangleur (42) ménagé dans la conduite (30).