Brevet FR2738294A1 — publié le 19970307

l Etat de la technique L'invention concerne un injecteur pour moteur à combustion interne comportant une aiguille guidée axialement dans un corps d'injecteur, qui commande en ouverture et en fer- meture un orifice d'injecteur avec une surface d'étanchéité prévue à son extrémité située du côté de la chambre de combus- tion et un organe d'actionnement piézo-électrique dont l'empi- lement piézo-électrique variant en longueur sous l'effet d'une tension de commande, actionne l'aiguille à laquelle il est cou- plé par son extrémité opposée à la chambre de combustion, ainsi qu'un ressort d'injecteur sollicitant l'aiguille dans la direc- tion de la fermeture. Dans le cas d'un tel injecteur connu d'après le do- cument DE-OS-35 33 085, l'aiguille commandant la section d'in- jection en ouverture et en fermeture est actionnée directement par une pièce de réglage piézo-électrique dont la longueur axiale est modifiée par l'application d'une tension de com- mande. L'actionnement direct de l'aiguille qui n'est possible qu'au moyen d'actuateurs travaillant très rapidement, permet de réaliser le mouvement d'ouverture de l'aiguille et ainsi le processus d'injection du carburant à injecter, indépendamment de la pression d'injection. Cette mise en forme de la courbe d'injection permet une adaptation optimale de la quantité in- jectée et du temps d'injection, aux consignes dépendant du point d'utilisation du moteur à combustion interne. Cela permet ainsi une combustion optimale avec une émission d'éléments pol- luants la plus faible possible. Mais, dans le cas de l'utilisa- tion de pièces de commande piézo-électriques, appelées " empi- lement piézo-électrique ", on a l'inconvénient que leur exten- sion axiale se modifie rapidement en fonction des variations de la température, ce qui modifie la position de départ nécessaire pour la commande précise de la course de déplacement de l'ai- guille de soupape. Ces positions de départ inexactes de l'ex- trémité libre de l'empilement apparaissant également du fait de tolérances de fabrication ou de l'usure, peuvent entraîner, suivant la construction de l'injecteur, une modification de l'étanchéité ou encore un mouvement d'ouverture insuffisant de l'aiguille. Pour compenser ces modifications indésirables de la longueur de l'empilement, l'injecteur de carburant connu pré- sente une chambre d'amortissement hydraulique entre un piston d'amortissement et l'empilement piézo-électrique. Cette chambre d'amortissement doit maintenir de manière fixe une extrémité de l'empilement lors de son excitation électrique et permettre tout de même une lente variation de longueur. Ainsi, ce mode de fixation de l'extrémité de l'empilement non tournée vers l'aiguille, au moyen d'une chambre d'amortissement, présente toutefois l'inconvénient que le blocage de la position lors de la phase d'injection n'est pas assez rapide et précis du fait de la pression de maintien dans la chambre d'amortissement, et ce blocage ne s'établit qu'après un retard déterminé et après le passage d'une faible course du piston d'amortissement. De plus, le dispositif de fixation de l'empilement sur la soupape d'injection d'après le document DE-OS-35 33 085, est limité à un mode de construction ouvert vers l'extérieur. Avantages de l'invention Pour remédier aux inconvénients ci-dessus, l'inven- tion concerne un injecteur du type défini ci-dessus, caractéri- sé par un dispositif de blocage à l'organe de réglage piézo- électrique qui fixe, dans sa position axiale, l'extrémité de l'empilement piézo-électrique opposé à l'aiguille pendant la phase d'injection de l'injecteur, et permet de compenser le jeu axial de l'empilement durant une pause d'injection. Cet injecteur selon l'invention présente l'avantage que l'empilement actionnant l'aiguille prend très rapidement sa position fixe à son extrémité opposée à l'aiguille par rapport au corps d'injecteur, ce qui permet d'éviter toute détériora- tion de la précision du mouvement d'ouverture de l'aiguille par suite d'un allongement axial indésirable antérieur de l'empile- ment piézo-électrique. Ceci est obtenu de manière avantageuse par un dispositif de blocage prévu à l'extrémité de l'empile- ment opposée à l'aiguille, et agissant directement sur la tige de l'empilement. Ce dispositif de blocage peut être actionné soit mécaniquement avec une liaison par frottement, par exemple par un système de levier ou de coin, soit hydrauliquement, par exemple avec un volume fermé à l'extrémité de la pièce de ré- glage piézo-électrique, soit électromagnétiquement avec un ai- mant ou par une pièce de réglage piézo-électrique. Il s'avère particulièrement avantageux d'utiliser une pièce de réglage piézo- électrique pour le dispositif de blocage de l'empilement piézo- électrique, du fait que celle-ci travaille très rapidement avec un encombrement relativement ré- duit et se laisse commander de manière simple, de façon analo- gue à l'empilement actionnant l'aiguille, par un appareil de10 commande électrique. Ainsi, l'utilisation du dispositif de blocage selon l'invention n'est pas limitée à une certaine sorte d'injecteur, mais peut avantageusement être utilisée pour des injecteurs du type s'ouvrant vers l'intérieur ou du type s'ouvrant vers l'extérieur. Pour obtenir une section d'injection assez grande malgré la course d'ouverture de l'aiguille conditionnée par l'organe de réglage piézo-électrique, notamment pour l'injec- teur s'ouvrant vers l'intérieur, l'angle de siège du corps de20 clapet est compris entre 60 et 1200. On obtient une section d'ouverture de l'injecteur particulièrement grande, même pour de petites courses d'ouver- ture, si l'angle de la pointe de l'aiguille est plus grand que l'angle de siège du corps d'injecteur, dans le cas extrême la25 face frontale de l'aiguille constituant l'arête d'étanchéité est perpendiculaire à l'axe de l'aiguille (angle de la pointe de l'aiguille de 180 ), et si l'angle du siège de corps de cla- pet est de 90 . Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - le dispositif de blocage présente des moyens de blocage méca- niques, hydrauliques, électromagnétiques ou piézo-électri- ques, de la position de l'empilement piézo-électrique, - le dispositif de blocage présente un anneau de blocage en ma- tière piézo-électrique entourant la tige de l'empilement pié- zo-électrique, anneau dont le diamètre intérieur se réduit lors de son alimentation par une tension d'utilisation, - la surface d'étanchéité de l'aiguille est constituée par une surface frontale annulaire, tournée vers le corps d'injecteur, sur une pièce de tête de l'aiguille venant axia- lement en saillie du corps d'injecteur, qui coopère avec un siège de clapet à la face frontale du corps d'injecteur, du côté de la chambre de combustion, en délimitant un perçage guidant l'aiguille, - la surface frontale de l'aiguille située du côté de la cham- bre de combustion est réalisée comme surface d'étanchéité qui coopère avec un siège de clapet en forme de cône creux à l'extrémité fermée du perçage recevant l'aiguille dans le corps d'injecteur, auquel est relié au moins un orifice d'injection dans la paroi du corps d'injecteur, en aval, se- lon le sens de passage du carburant injecté, - l'angle du siège de clapet en forme de cône creux du corps d'injecteur est de 60 à 120 , et de préférence de 90 , - la surface d'étanchéité coopérant avec le siège de clapet en forme de cône creux a la forme d'une arrête annulaire à l'aiguille, formée à sa jonction entre une partie de la tige de l'aiguille et la pointe de l'aiguille, - l'angle de la pointe de l'aiguille est plus grand que l'angle de la surface de siège de clapet et peut aller jusqu'à 1800. Dessins Trois exemples de réalisation de l'injecteur selon l'invention pour un moteur à combustion interne, sont représen- tés aux dessins et seront décrits plus en détail ci-après. Ainsi: - la figure 1 est une coupe d'un premier exemple de réalisation d'un injecteur s'ouvrant vers l'intérieur, - la figure 2 est une coupe d'un second exemple de réalisation dans lequel l'injecteur présente une aiguille s'ouvrant vers l'extérieur, - la figure 3 est un troisième exemple de réalisa- tion montrant les angles relatifs de la surface d'étanchéité de l'injecteur et du siège de clapet pour un injecteur s'ouvrant vers l'intérieur. Description des exemples de réalisation Le premier exemple de réalisation d'injecteur de carburant pour moteur à combustion interne représenté en coupe longitudinale à la figure 1, présente un corps d'injecteur 1 fixé à un support d'injecteur 5 au moyen d'un écrou de serrage 3; il débouche dans la chambre à combustion alimentée par son extrémité libre à diamètre réduit. Une aiguille 9 en forme de piston est guidée axialement, de manière connue, dans un per- çage 7 du corps de soupape 1. Cette aiguille forme une surface d'étanchéité de clapet 11 avec sa surface frontale conique du côté de la chambre de combustion. Cette surface d'étanchéité 11 coopère avec un siège de clapet 13 ayant une surface en forme de cône creux à l'extrémité fermée du perçage 7, du côté de la chambre de combustion, auquel est relié un orifice d'injection réalisé dans la paroi du corps d'injecteur 1. Ce perçage se poursuit en aval selon le sens de passage du carburant injecté. Le corps d'injecteur 1 présente de plus une chambre annulaire 17 constituée par l'élargissement de la section du perçage 7 dans lequel débouche un canal d'entrée 19 traversant le corps d'injecteur 1 et le support d'injecteur 5. Ce canal est relié par un branchement haute pression 21, de manière non représen- tée en détail, à une conduite d'injection venant d'une pompe à carburant haute pression. Un organe de réglage piézo-électrique prévu dans le support d'injecteur 5 actionne l'aiguille 9 équilibrée en pres- sion du fait de la géométrie de sa section. Cet organe de ré- glage piézo-électrique est un empilement piézo-électrique 23 en forme de piston, par exemple constitué par un grand nombre de disques superposés axialement et dont la longueur axiale aug- mente lorsqu'on lui applique une tension électrique. A son ex- trémité tournée vers le corps d'injecteur 1, l'empilement piézoélectrique 23 est relié solidairement à l'aiguille 9; à son autre extrémité, on prévoit un piston de compensation 2930 dont le diamètre est réduit par rapport à celui de l'empilement piézo-électrique 23; l'extrémité située dans le prolongement axial repose sur la surface frontale 33 de l'empilement piézo- électrique 23, et l'extrémité libre vient en saillie dans une chambre de compensation 31. L'extrémité de l'empilement piézo- électrique 23 non tournée vers l'aiguille délimite une chambre de ressort 25 traversée par le piston 29 recevant un ressort d'injecteur 27 travaillant comme un ressort de pression. Ce ressort est comprimé entre la face frontale 33 de l'empilement piézo-électrique 23 et une paroi de la chambre de ressort; il pousse l'aiguille 9 par l'intermédiaire de l'empilement piézo- électrique 23 dans la direction de fermeture. Pour son action- nement, l'empilement piézo-électrique 23 est relié à des lignes électriques 35 par lesquelles il reçoit une tension de com- mande; l'alimentation en courant peut être commandée par un appareil de commande électronique non représenté. Un dispositif de blocage 37 se trouve au-dessus de l'extrémité de l'empilement 23, associé à l'aiguille 9, pour obtenir un mouvement de réglage axial de l'empilement 23 défini avec précision, et ainsi un mouvement d'ouverture précis de l'aiguille 9. Ce dispositif de blocage permet de fixer l'empi- lement 23 dans sa position, par son extrémité supérieure, con- tre le corps de soupape 5 pendant la phase d'injection. Le dis- positif de blocage 37 est constitué par un anneau coaxial à l'empilement ou, selon une alternative, par plusieurs éléments annulaires séparés, en matériau piézo-céramique, disposés au- tour de l'empilement et dont le diamètre intérieur se réduit lors de l'application d'une tension de commande jusqu'à ce que l'anneau se bloque par frottement sur la surface extérieure de l'empilement 23. L'alimentation électrique se fait par les li- gnes 41 et elle peut être commandée par un appareil de commande électronique, de manière analogue à l'empilement 23. L'exemple de réalisation représenté à la figure 1 fonctionne de la ma- nière suivante: Lorsque l'on applique l'alimentation électrique du moteur à combustion interne, l'empilement fonctionnant comme actuateur de l'aiguille 9 est alimenté par une tension de fonc- tionnement maximale et s'étend ainsi axialement d'une valeur30 maximale en direction de la chambre de ressort 25. Le ressort d'injecteur 27 assure alors la venue en butée étanche de l'aiguille 9 sur le siège de clapet 13. Durant cet intervalle de temps, le dispositif de blocage 37 reste alimenté électri- quement de manière à ce que l'anneau de blocage 39 ne s'appli- que pas sur l'empilement 23. Si l'on démarre le moteur et si une injection doit être réalisée à la soupape correspondante, l'anneau de blocage 39 est alimenté par une tension d'utili- sation et par sa réduction de diamètre, il bloque l'extrémité de l'empilement 23, opposée à l'aiguille 9, dans sa position dans laquelle le ressort d'injecteur 27 est également sans ef- fet. Pour débuter le mouvement d'ouverture de l'aiguille 9, la tension d'utilisation de l'empilement 23 est réduite de manière correspondante pour que l'empilement se rétracte axialement afin de déplacer l'aiguille 9 dans le sens de l'ouverture, le passage du carburant vers l'orifice d'injection étant commandé en ouverture de manière connue et le carburant injecté passant dans la chambre de combustion. On obtient ainsi la course d'ouverture maximale de l'aiguille 9 lors de la coupure totale de la tension de fonctionnement de l'empilement 23. Par le ré- glage de la tension de fonctionnement de l'empilement on com- mande ainsi librement le mouvement d'ouverture de l'aiguille 9 et ainsi le processus d'injection. Pour arrêter l'injection, l'empilement 23 est à nouveau alimenté par la tension de fonctionnement maximale, et il repousse, lors de sa brusque dilatation, l'aiguille 9 jus- qu'à ce qu'elle vienne en appui sur le siège de clapet 13. Pour équilibrer des variations de longueur de l'empilement dues à la température et à la pression, et pour remédier ainsi à des im- précisions de course d'ouverture, le dispositif de blocage 37 est desserré lors des pauses d'injection; pour cela l'anneau de blocage piézo-électriques 39 est coupé du courant de manière à ce que l'empilement 23 reposant sur le siège de clapet puisse subir des modifications de longueur sans influencer la position finale. Ceci n'est pas nécessaire après chaque phase de travail mais peut être effectué après des intervalles déterminés selon le besoin. Comme le ressort d'injecteur 27 agit lorsqu'on ouvre le dispositif de blocage 37, l'aiguille 9 est poussée avec une force définie sur le siège de clapet 13 de manière à réaliser une fermeture étanche de l'injecteur. Le second exemple de réalisation représenté à la figure 2 se différencie du premier exemple de réalisation uni- quement par la manière de commander l'ouverture d'injection dans l'injecteur; pour ces raisons, la description sera limi- tée aux pièces réalisées différemment de celles de la figure 1 et à leur fonction. On utilise les mêmes références pour les pièces semblables à celles de la figure 1. L'aiguille 9 présente, dans le second exemple de réalisation, à son extrémité située du côté de la chambre de combustion, une pièce de tête 43 venant axialement en saillie du perçage 7 du corps d'injecteur 1. En direction du corps d'injecteur 1, cette pièce de tête 43 présente une face fron- tale annulaire 45 qui constitue la surface d'étanchéité de l'aiguille 9. La face frontale annulaire 45 est conique et coo- père avec la surface de siège de clapet 13 à la face frontale située du côté de la chambre de combustion du corps d'injecteur 1; cette face frontale est réalisée en forme de coin creux à partir du perçage 7. La section d'injection de la soupape d'injection est constituée de manière connue par la fente annu- laire commandée se trouvant entre la surface frontale annulaire et le siège de clapet 13. L'empilement 23 réalisé de manière analogue à celui de la figure 1 est, dans le second exemple de réalisation, sé- paré de la chambre de ressort 25 par une bride de boîtier 47; il présente à sa face frontale 33 associée à la chambre de res- sort, un prolongement de piston 49 de section réduite qui tra- verse la chambre de ressort 25, et son extrémité qui dépasse de la chambre de ressort 25 porte une coupelle à ressort 51. Le ressort d'injecteur 27 est ainsi comprimé entre la bride de boîtier 47 et la coupelle à ressort 51, et pousse l'aiguille 9 par l'intermédiaire de l'empilement 23, avec la face frontale 45 de la pièce 43 en butée sur le siège de clapet 13. Le second exemple de réalisation représenté à la figure 2 fonctionne de la manière suivante: Dans le second exemple de réalisation, avant le commencement de la phase d'injection, l'empilement 23 fonction- nant comme actuateur pour l'aiguille 9 reste tout d'abord coupé du courant électrique et a ainsi sa longueur axiale la plus faible. L'aiguille 9 est ainsi maintenue en appui étanche sur le siège de clapet 13 au moyen du ressort de soupape 27; le dispositif de blocage 37, sans courant, ouvert, permet une di- latation axiale de l'empilement 23 en fonction des variations de température et de pression. Pour effectuer une injection par l'injecteur, l'empilement 23 et l'anneau de blocage 39 sont alimentés en même temps par une tension de fonctionnement, si bien que l'anneau de blocage 39 bloque, de manière analogue à celle du premier exemple de réalisation, la position de l'extrémité de l'empilement 23 opposée à l'aiguille 9. Sous l'effet de la tension de fonctionnement, l'empilement 23 se dilate et pousse l'aiguille 9 dans la direc- tion d'ouverture du siège de clapet, de manière à commander la section d'ouverture de la soupape d'injection. Ainsi, une ten- sion de fonctionnement maximale fournit une course d'ouverture maximale. On règle ainsi, par la tension de fonctionnement com- mandée par l'appareil de commande, la dilatation de l'empile- ment 23 et par conséquent la course d'ouverture de l'aiguille 9 et le processus d'injection. A la fin de l'injection, l'empilement 23 est à nouveau coupé du courant; il se con- tracte et rappelle l'aiguille 9 en butée sur le siège de clapet 13. Pour équilibrer les changements de longueur de l'empilement 23 dus à la température et à la pression, pendant le fonction- nement du moteur à combustion interne, il est possible, de ma- nière analogue à celle décrite à la figure 1, de desserrer le dispositif de blocage 37 en coupant l'arrivée de courant pen- dant des pauses d'injection. Le ressort d'injecteur 27 agit alors et réalise un contact étanche de l'aiguille 9 sur le siège de clapet 13. La figure 3 montre un exemple de réalisation agran- di d'un injecteur selon la figure 1 avec une aiguille s'ouvrant vers l'intérieur; l'angle a du siège de clapet 13 en forme de cône creux correspond à 900. Comme, du fait de l'utilisation d'une pièce de réglage piézo-électrique, on a une très petite course d'ouverture de l'aiguille 9, pour avoir une section de passage suffisamment grande entre l'aiguille et la surface du siège de clapet, l'angle y de la pointe de l'aiguille est plus grand que l'angle a du siège de clapet; l'angle a peut être au maximum égal à 1800. L'arête annulaire 61, intersection du corps de l'aiguille 9 avec sa surface frontale conique, forme la section de fermeture; le diamètre du corps de l'aiguille dans sa face frontale définit le siège. L'injecteur selon l'invention permet de compenser les tolérances de pression, de température et d'usinage de l'empilement piézo- électrique actionnant directement l'aiguille, par un mode de construction simple, de manière à réaliser une course d'ouverture reproductible de l'aiguille pendant toute la durée d'utilisation de l'injecteur. ]l R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Injecteur pour moteur à combustion interne comportant une aiguille (9) guidée axialement dans un corps d'injecteur (1), qui commande en ouverture et en fermeture un orifice d'injec- teur (15) avec une surface d'étanchéité (11) prévue à son ex- trémité située du côté de la chambre de combustion et un organe d'actionnement piézo-électrique dont l'empilement piézo- électrique (23) variant en longueur sous l'effet d'une tension de commande, actionne l'aiguille à laquelle il est couplé par son extrémité opposée à la chambre de combustion, ainsi qu'un ressort d'injecteur (27) sollicitant l'aiguille (9) dans la di- rection de la fermeture, caractérisé par un dispositif de blocage (37) à l'organe de réglage piézo- électrique qui fixe, dans sa position axiale, l'extrémité de l'empilement piézo-électrique (23) opposé à l'aiguille (9) pen- dant la phase d'injection de l'injecteur, et permet de compen- ser le jeu axial de l'empilement (23) durant une pause d'injec- tion. 2 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de blocage (37) présente des moyens de blocage mécaniques, hydrauliques, électromagnétiques ou piézo-électri- ques, de la position de l'empilement piézo-électrique (23) 3 ) Injecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de blocage (37) présente un anneau de blocage (39) en matière piézo-électrique entourant la tige de l'empile- ment piézo-électrique (23), anneau dont le diamètre intérieur se réduit lors de son alimentation par une tension d'utili- sation. 4 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité (11) de l'aiguille (9) est constituée par une surface frontale annulaire (45), tournée vers le corps d'injecteur (1), sur une pièce de tête (43) de l'aiguille (9) venant axialement en saillie du corps d'injecteur (1), qui coo- père avec un siège de clapet (13) à la face frontale du corps d'injecteur (1), du côté de la chambre de combustion, en déli- mitant un perçage (7) guidant l'aiguille (9). ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface frontale de l'aiguille (9) située du côté de la chambre de combustion est réalisée comme surface d'étanchéité (11) qui coopère avec un siège de clapet (13) en forme de cône creux à l'extrémité fermée du perçage (7) recevant l'aiguille (9) dans le corps d'injecteur (1), auquel est relié au moins un orifice d'injection (15) dans la paroi du corps d'injecteur (1), en aval, selon le sens de passage du carburant injecté. 6 ) Injecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'angle (a) du siège de clapet (13) en forme de cône creux du corps d'injecteur (1) est de 60 à 120 , et de préférence de 900. 7 ) Injecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité coopérant avec le siège de clapet (13) en forme de cône creux a la forme d'une arrête annulaire (61) à l'aiguille (9), formée à sa jonction entre une partie de la tige de l'aiguille (9) et la pointe de l'aiguille. 8 ) Injecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'angle (y) de la pointe de l'aiguille est plus grand que l'angle (a) de la surface de siège de clapet (13) et peut al- ler jusqu'à 1800.