Brevet FR2758592A1 — publié le 19980724

L'invention concerne un injecteur piézoélec- trique pour systèmes d'injection de carburant de moteurs à combustion interne, comprenant un actionneur piézoélec- trique guidé dans un corps de soupape et chargé par un ressort précontraint, qui, par l'intermédiaire d'une pièce d'actionnement, appuie un obturateur sur son siège de soupape. Dans le cas d'injecteurs piézoélectriques, la dilatation thermique de parties du corps de l'actionneur piézoélectrique correspond à peu près à la course de tra- vail de cet actionneur. En revanche, la dilatation ther- mique de matériaux piézoélectriques est à peu près nulle. Pour cette raison, on utilise, de façon connue, des or- ganes hydrauliques de compensation ou des combinaisons de parties du corps faites de matériaux ayant différents coefficients de dilatation thermique. Par le périodique MTZ Motortechnische Zeit- schrift 56(1995)3, pages 142 - 148, photo 8, on connaît un injecteur piézoélectrique comprenant un actionneur piézoélectrique en forme de barreau qui, à l'état dilaté, donc chargé, ferme un orifice d'injection formé par un siège percé d'un trou. La haute pression, régnant ici en permanence, est appliquée de façon dosée, lors de la dé- charge de l'actionneur, par l'aiguille de l'injecteur. La précontrainte du système est réglable par des rondelles- ressorts. La force de précontrainte doit être suffisam- ment grande pour que l'orifice soit fermé de façon étanche, à l'encontre de toute la pression du carburant, lorsque l'actionneur est chargé. La faible dilatation thermique de la céramique piézoélectrique est partiellement compensée par une com- binaison de carbures chlorofluorés et de métal dans le corps de l'injecteur. Dans de tels injecteurs piézoélectriques, la direction de mouvement de l'actionneur piézoélectrique est contraire, lors de l'application d'une tension électrique, à celle produite dans les soupapes électromagnétiques habituelles. Le but de l'invention est de perfectionner un injecteur piézoélectrique du type générique indiqué au début afin d'obtenir une construction plus simple et de pouvoir fabriquer le corps de soupape de matériaux tels que l'acier ou l'aluminium, sans que des dilatations thermiques du matériau employé exercent une influence dé- favorable sur la précision des courses de la soupape. Conformément à l'invention, on obtient ce ré- sultat par le fait que la pièce d'actionnement est constituée d'une tige poussoir traversant l'actionneur piézoélectrique, ainsi que d'une tête appliquée sur l'ac- tionneur, que la tige poussoir et l'actionneur possèdent au moins approximativement la même longueur et comportent ou sont faits au moins approximativement du même matériau céramique ou d'un matériau semblable à de la céramique pour ce qui concerne la dilatation thermique, et que l'obturateur peut être levé de son siège de soupape par l'actionneur piézoélectrique lorsque celui-ci est dilaté à l'état chargé. Des perfectionnements avantageux de l'invention ressortent de ce qui va suivre. Grâce à l'agencement et à la coordination par- ticuliers de la pièce d'actionnement dans l'injecteur piézoélectrique, ainsi qu'en raison de l'inversion du mouvement de l'actionneur piézoélectrique lors de l'ap- plication d'une tension électrique, il devient possible d'utiliser une construction simple qui, malgré la pour- suite de l'emploi des matériaux utilisés habituellement pour le corps de soupape, tels que l'acier ou l'alumi- nium, n'affecte pas, fonctionnellement, les courses de soupape exactes. Les dilatations longitudinales, se produisant inévitablement lors de sollicitations thermiques, n'ont donc pas d'influence négative sur la fonction de ferme- ture irréprochable de la soupape. De plus, si l'injecteur présente un défaut électrique, il ne se produit pas de fuite sur l'orifice d'injection, fuite qui, surtout s'il s'agit de systèmes à haute pression selon le principe de la canalisation d'alimentation commune ("common-rail-principle") peut provoquer la destruction du moteur du fait que l'orifice d'injection ne se ferme plus, étant entendu que cet ori- fice s'ouvre ou se ferme sur l'injecteur piézoélectrique en fonction de la position de l'obturateur, lequel co- opère avec un piston de commande sur le côté arrière de l'aiguille de l'injecteur. La tige poussoir et l'actionneur piézoélec- trique, ayant la même longueur et comportant ou faits du même matériau céramique, peuvent être fabriqués aussi d'un matériau semblable à de la céramique, d'"Invar" par exemple. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que de la figure unique du dessin annexé, qui est une coupe axiale schématisée d'un injecteur selon l'in- vention. Un injecteur piézoélectrique 1 pour systèmes d'injection de carburant de moteurs à combustion interne, en particulier pour systèmes à haute pression du type à canalisation d'alimentation commune, comprend un action- neur piézoélectrique 3 disposé dans un corps de soupape 2 et chargé par un ressort. L'actionneur 3 est composé d'éléments piézo- électriques annulaires 4 qui sont superposés à la façon de couches et délimitent une cavité centrale 5 qui tra- verse de part en part l'empilage d'éléments piézoélec- triques 4, en créant ainsi de la place pour une2 pièce d'actionnement 6. Celle-ci est constituée d'une tige poussoir 7 et d'une tête 8; cette tête est semblable à un disque et appliquée sur l'actionneur 3, tandis que la tige poussoir 7 traverse l'actionneur 3 sur toute sa lon- gueur et est disposée concentriquement dans les éléments piézoélectriques annulaires 4. Entre l'actionneur 3 et une pièce terminale 9 - semblable à un couvercle - du corps de soupape 2, se trouve un ressort de compression 10 précontraint qui, en agissant sur la tête 8 de la pièce d'actionnement 6, ap- puie d'une part l'actionneur 3 sur la surface 11 d'une partie rétreinte 12 du corps à l'extrémité inférieure du corps de soupape 2, et appuie d'autre part la tige pous- soir 7, dont l'extrémité est située dans le plan de la surface 11 du corps à la position fermée, sur un obtura- teur 13. La tête 8 de la pièce d'actionnement 6 et la pièce terminale 9 du corps de soupape 2 forment donc des éléments d'appui pour le ressort de compression 10. L'actionneur piézoélectrique 3 et la tige pous- soir 7 ont la même longueur et sont faits du même maté- riau céramique. L'obturateur 13 est formé par une bille 14 ap- pliquée sur un siège de soupape 15 de forme conique. Le siège 15 communique à travers un perçage 16 de la partie 12 du corps de l'injecteur 1 avec une chambre de pression 17 située au-dessus d'un piston de commande 18 auquel est appliquée, à travers un canal 19 et un étranglement d'ar- rivée 20, une haute pression transmise à partir d'une ca- nalisation d'alimentation ("rail") qui n'est pas repré- sentée et agit comme un accumulateur haute pression pour tous les injecteurs. La bille 15 est maintenue en place dans un évi- dement 21 de l'extrémité de la tige poussoir 7, évidement qui est adapté à la forme d'une moitié à peu près de la bille. Entre la pièce terminale 9 semblable à un cou- vercle du corps de soupape 2 et la tête 8 de la pièce d'actionnement 6, se trouve un disque d'espacement 22 pouvant être remplacé par des disques semblables d'épais- seurs différentes en vue du réglage de la précontrainte du ressort 10, le disque d'espacement 22 choisi ayant donc une épaisseur définie. Les connexions (non représentées), reliées électriquement aux bornes externes 23 et 24 et menant à l'actionneur 3, passent dans la zone de la partie ré- treinte 12 du corps. Le cas échéant, l'actionneur 3, composé d'élé- ments piézoélectriques 4 de forme annulaire, peut être constitué aussi de deux petits actionneurs verticaux pla- cés à distance l'un à côté de l'autre (selon un mode de réalisation non représenté), entre lesquels s'étend la tige poussoir 7, laquelle possède la même longueur que les deux actionneurs. Au lieu d'avoir une tête discoïde, la tige poussoir peut, dans ce cas, être couplée aux ac- tionneurs par une pièce transversale formant un pont. Entre l'actionneur 3 et la surface 11 de la partie rétreinte 12 du corps, peut être placé en outre un disque d'espacement, non représenté, par lequel on peut régler la contrainte de compression de la tige poussoir 7 à l'état fermé. Le mode de fonctionnement de l'injecteur piézo- électrique est le suivant. L'application d'un signal de tension électrique produira la dilatation ou l'allongement de l'actionneur 3 précontraint, à l'encontre de la force du ressort de com- pression 10. De ce fait, la bille 14 est levée de son siège par l'intermédiaire de la tige poussoir 7, dont la longueur est restée la même, et la chambre de pression 17 est déchargée à travers le piston de commande 18. Celui- ci peut se déplacer à présent vers le haut et permettre ainsi à une aiguille d'injection (non représentée) de se lever de son siège de soupape. Un facteur décisif pour le mouvement de la bille 14, dont la course est désignée par x, est le mouvement relatif entre l'actionneur 3 et la tige poussoir 7 dans la zone de la surface 11 de la partie 12, radialement rétreinte, du corps. Les dilatations thermiques - se produisant lors de variations de température - du corps de soupape de forme allongée, n'exercent aucune influence. Les dispositions selon l'invention permettent donc - indépendamment de toutes influences susceptibles d'être exercées par la température - des courses de sou- pape exactes, en plus du fait qu'une fermeture parfaite- ment étanche est assurée lorsque la bille occupe sa posi- tion fermée. Il s'y ajoute que l'amplitude du signal de com- mande permet de varier la course de soupape, de sorte qu'un étranglement d'écoulement variable pourrait être réalisé. REVENDICATIONS 1. Injecteur piézoélectrique pour systèmes d'injection de carburant de moteurs à combustion interne, comprenant un actionneur piézoélectrique guidé dans un corps de soupape et préchargé par un ressort qui, par l'intermédiaire d'une pièce d'actionnement, ap- puie un obturateur sur son siège de soupape, caractérisé en ce que la pièce d'actionnement (6) est constituée d'une tige poussoir (7) traversant l'actionneur piézo- électrique (3), ainsi que d'une tête (8) appliquée sur l'actionneur (3), que la tige poussoir (7) et l'action- neur (3) possèdent au moins approximativement la même longueur et comportent au moins approximati- vement un même matériau céramique ou un matériau sem- blable à de la céramique pour ce qui concerne la dilata- tion thermique, et que l'obturateur (13) peut être levé de son siège de soupape (15) par l'actionneur piézoélec- trique (3) lorsque celui-ci est dilaté à l'état chargé. 2. Injecteur piézoélectrique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'actionneur (3) est com- posé d'éléments piézoélectriques annulaires (4), dans lesquels la tige poussoir (7) de la pièce d'actionnement (6) est disposée concentriquement. 3. Injecteur piézoélectrique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'actionneur (3) est constitué de deux petits actionneurs juxtaposés, entre lesquels s'étend la tige poussoir, de même longueur, le couplage de la tige poussoir s'effectuant par l'intermé- diaire d'une pièce transversale formant un pont reliant les deux actionneurs. 4. Injecteur piézoélectrique selon la revendi- cation 2 ou 3, caractérisé en ce que l'actionneur (3) est appliqué sur une surface inférieure (11) d'une partie ré- treinte (12) du corps de soupape (2) et la tige poussoir (7) de la pièce d'actionnement (6) est située par son extrémité à la même hauteur que l'extrémité de l'actionneur (3), dans la zone de cette surface (11) du corps, lorsque l'obturateur (13) occupe sa position fermée. 5. Injecteur piézoélectrique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que l'obturateur (13) est une bille (14) maintenue en place dans la tige poussoir (7) dans un évidement (21) adapté à la forme d'une moitié à peu près de la bille. 6. Injecteur piézoélectrique selon une des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (8) de la pièce d'actionnement (6), appliquée sur l'ac- tionneur (3), et la pièce terminale supérieure (9) - sem- blable à un couvercle - du corps de soupape (2) forment des éléments d'appui pour un ressort de compression 10). 7. Injecteur piézoélectrique selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce qu'un disque d'espacement (22) d'épaisseur définie est placé entre la pièce termi- nale (9) semblable à un couvercle et l'extrémité supé- rieure du ressort de compression (10).