Brevet FR2751701A1 — publié le 19980130

La présente invention concerne une électrovanne notamment d'impact pour un système d'injection de carburant par effet de coup de bélier dans un moteur de véhicule. Les normes de lutte contre la pollution ainsi que les économies d'énergie imposées aux constructeurs de véhicules, ont conduit ceux-ci à développer différents systèmes d'injection de carburant dans les moteurs. Parmi les différentes solutions développées, l'injection de carburant directe dans une chambre de combustion du moteur présente un certain nombre d'avantages, notamment pour les moteurs à deux temps, dans lesquels la séparation du comburant et du carburant permet de réaliser la phase de balayage sans perte de ce dernier, contrairement aux solutions d'alimentation par carburateur par exemple. Cet avantage conduit à des gains considérables en émissions polluantes et en consommation de carburant. Toutefois, ceci nécessite des systèmes d'injection performants capables de délivrer des quantités variables de carburant à des fréquences souvent élevées et ce, avec des caractéristiques d'atomisation du carburant suffisantes pour assurer le démarrage et le déroulement de la combustion dans le moteur. C'est ainsi par exemple que dans le cadre des systèmes d'injection dits à réserve de carburant et injecteur électromagnétique, on constate une tendance générale à augmenter la pression dans la réserve de carburant, en amont de l'injecteur. Or, l'énergie nécessaire pour une telle augmentation de pression doit être fournie par le moteur luimême ou par une source d'énergie annexe et embarquée à bord du véhicule si l'application concerne un véhicule. Ce surplus d'énergie nécessaire est naturellement un inconvénient, notamment dans le cadre des moteurs de petites cylindrées dans lesquels ni le moteur, ni son environnement, ne permettent une consommation énergétique importante. Par ailleurs, l'utilisation de systèmes d'injection synchronisés au moteur, par exemple par arbre à came, conduit à des variations importantes de l'allure de la pression dans le système d'injection en fonction du régime avec une influence négative sur la formation du mélange et la combustion dans le moteur. C'est pour ces différentes raisons que des systèmes d'injection de carburant basés sur un effet dit de coup de bélier ont été développés dans l'état de la technique. Ce type de systèmes étant bien connu dans l'état de la technique, on ne le décrira pas plus en détail par la suite. On notera simplement qu'une électrovanne dite d'impact est raccordée à l'injecteur de carburant dans le moteur, pour créer par ouverture et fermeture successives de celle-ci, des ondes de pression de carburant au niveau de l'injecteur. Ceci permet alors d'injecter directement du carburant dans la chambre de combustion du moteur. D'une manière générale, les électrovannes et notamment les électrovannes d'impact pour de tels systèmes, comportent un corps de vanne tubulaire présentant à ses extrémités, une entrée et une sortie de carburant et dans lequel est disposée une bobine d'électro-aimant associée à une pièce magnétique tubulaire et un noyau plongeur tubulaire. Cette pièce magnétique et ce noyau plongeur sont disposés l'un dans le prolongement de l'autre, dans l'évidement de la bobine d'électro-aimant et le noyau plongeur est relié à des moyens d'obturation de la sortie du corps de vanne pour commander l'ouverture et la fermeture de celle-ci en réponse à une commande de l'alimentation de la bobine d'électro-aimant, par déplacement axial du noyau plongeur par rapport à la pièce magnétique, et venue en appui de surfaces de contact en regard de cette pièce magnétique et de ce noyau plongeur. Par ailleurs, des moyens de guidage des déplacements du noyau plongeur et des moyens élastiques de sollicitation de celui-ci en position de fermeture des moyens d'obturation sont également prévus. Différents modes de réalisation de ces électrovannes ont été décrits dans l'état de la technique. Toutefois, dans le cadre des moteurs de petites cylindrées fonctionnant à des régimes élevés, l'injection directe nécessite des électrovannes présentant des performances extrêmement élevées. Les critères de développement de ces électrovannes sont en effet : 1) le temps de réponse à l'ouverture et à la fermeture, 2) la fréquence de fonctionnement, 3) la durée de vie, et 4) la consommation énergétique. Or, les électrovannes connues dans l'état de la technique, ne permettent pas de répondre à ces différents critères de manière satisfaisante. Le but de 1 invention est donc de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet une électrovanne notamment d'impact pour un système d'injection de carburant par effet de coup de bélier dans un moteur de véhicule, du type comportant un corps de vanne tubulaire présentant à ses extrémités, une entrée et une sortie de carburant, et dans lequel est disposée une bobine d'électro-aimant raccordée à des moyens d'alimentation de celle-ci et associée à une pièce magnétique tubulaire et à un noyau plongeur tubulaire, disposés dans le prolongement l'un de l'autre dans l'évidement de la bobine d'électro-aimant, et présentant des surfaces de contact en regard, le noyau plongeur étant relié à des moyens d'obturation de la sortie du corps de vanne pour, en réponse à l'excitation ou non de la bobine d'électroaimant sous le contrôle des moyens d'alimentation de celle-ci, ouvrir ou fermer la sortie du corps de vanne, par déplacement axial du noyau plongeur par rapport à la pièce magnétique et venue en appui des surfaces de contact de ceux-ci en position d'ouverture de la sortie du corps de vanne, et des moyens de sollicitation élastique du noyau plongeur en position de fermeture de la sortie du corps de vanne, caractérisée en ce qu'au moins l'une des surfaces de contact de la pièce magnétique et/ou du noyau plongeur, comprend des parties en saillie et en creux afin de réduire l'aire de ces surfaces en appui l'une contre l'autre lorsque le noyau plongeur est en position d'ouverture de la sortie du corps de vanne. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.1 représente une vue en coupe illustrant la structure générale d'un exemple de réalisation d'une électrovanne d'impact selon l'invention; et - la Fig.2 illustre la forme d'un courant d'alimentation délivré par des moyens de commande à une bobine d'électro-aimant entrant dans la constitution de cette électrovanne. On reconnait en effet sur cette figure 1, une électrovanne désignée par la référence générale 1, qui peut t servir d'électrovanne d'impact pour un système d'injection de carburant par effet de coup de bélier dans un moteur thermique de véhicule. Ce type de systèmes d'injection de carburant par effet de coup de bélier étant bien connu dans l'état de la technique, on ne le décrira pas en détail. L'électrovanne selon l'invention comporte de manière classique, un corps de vanne tubulaire désigné par la référence générale 2 présentant à ses extrémités, une entrée et une sortie de carburant, respectivement 3 et 4. Dans ce corps de vanne est disposée une bobine d'électro-aimant désignée par la référence générale 5, cette bobine d'électro-aimant étant associée à une pièce magnétique tubulaire désignée par la référence générale 6 et à un noyau,plongeur tubulaire désigné par la référence générale 7. Par ailleurs, cette bobine d'électro-aimant est reliée à des moyens de commande de son alimentation désignés par la référence 5a sur cette figure 1. La pièce magnétique 6 et le noyau plongeur 7 sont disposés l'un dans le prolongement de l'autre, dans l'évidement de la bobine d'électro-aimant entre l'entrée et la sortie de carburant et le noyau plongeur 7 est relié à des moyens 8 d'obturation de la sortie 4 du corps de vanne 2, pour commander l'ouverture et la fermeture de celle-ci en réponse à une commande de l'alimentation de la bobine d'électro-aimant 5, par déplacement axial du noyau plongeur 7 par rapport à la pièce magnétique. Les moyens d'obturation peuvent présenter différentes formes appropriées connues dans l'état de la technique. On notera également que la sortie 4 de ce corps de vanne peut être associée à un embout 9 présentant par exemple un évidement évasé, soit par palier comme cela est représenté, soit de manière continue. Par ailleurs, des moyens 10 de guidage des déplacements du noyau plongeur 7 et des moyens élastiques 11 de sollicitation de ce noyau plongeur en position de fermeture des moyens d'obturation 8, sont également prévus. Les moyens de guidage 10 des déplacements du noyau plongeur comprennent par exemple un manchon de guidage tubulaire dont une première extrémité par exemple lOa s'étend dans la pièce magnétique 6 et dont une seconde extrémité par exemple lOb fait saillie au-delà de cette pièce magnétique. Le noyau plongeur 7 est alors disposé sur cette seconde extrémité lOb du manchon de guidage 10 et est donc monté déplaçable à coulissement autour de cette extrémité du manchon de guidage. Par ailleurs, les moyens élastiques 11 de sollicitation de ce noyau plongeur en position de fermeture de la sortie du corps de vanne, sont également disposés dans l'évidement de celui-ci, dans le prolongement du manchon de guidage entre la seconde extrémité de celui-ci et une surface de butée correspondante, par exemple 7a, du noyau plongeur. On conçoit en effet par exemple que ces moyens élastiques peuvent comporter un ressort par exemple hélicoïdal disposé dans le noyau plongeur, dans le prolongement du manchon de guidage, l'une des extrémités de ce ressort hélicoïdal 11 étant en appui sur l'extrémité correspondante du manchon de guidage, tandis que l'autre extrémité de celui-ci est en appui sur la surface de butée 7a du noyau plongeur. On conçoit alors que lors de la commande de l'alimentation de la bobine d'électro-aimant 5, on provoque le déplacement du noyau plongeur 7 de la position de fermeture des moyens d'obturation de la sortie de ce corps de vanne, telle qu'illustrée sur cette figure, vers sa position d'ouverture par déplacement axial de ce noyau plongeur sur l'extrémité correspondante des moyens de guidage et plus particulièrement du manchon de guidage. Cette structure présente un certain nombre d'avantages, notamment au niveau de sa simplicité de construction et de fonctionnement. En effet, les moyens de guidage ne forment plus un obstacle aux lignes de flux magnétique de la bobine d'électro-aimant, comme c'était le cas dans l'état de la technique, ce qui permet d'améliorer le rendement magnétique de l'ensemble. Par ailleurs, l'optimisation de la disposition des moyens de guidage et des moyens élastiques de sollicitation du noyau plongeur permet également de réduire l'encombrement de l'électrovanne et de limiter au maximum les risques de blocage du noyau plongeur, tout en permettant à celui-ci de fonctionner à des cadences très élevées comme celles rencontrées dans l'une des applications mentionnées précédemment, c'est-à-dire les systèmes d'injection de carburant dans les moteurs de véhicule. A cet effet, un injecteur de carburant (non représenté) peut être raccordé par l'intermédiaire par exemple d'une conduite 12 à l'électrovanne, en amont des moyens d'obturation, grâce à des moyens de raccordement quelconques désignés de façon générale par la référence 13 sur la figure. Dans cette structure d'électrovanne, la pièce magnétique 6 et le noyau plongeur 7 comportent des surfaces de contact respectivement 6a, 7b en regard, adaptées pour venir en appui l'une contre l'autre, lors de l'ouverture de la sortie du corps de vanne consécutivement à l'excitation de la bobine d'électro-aimant 5 par les moyens de commande 5a. L'une ou ces deux surfaces de contact comportent avantageusement des parties en saillie et en creux qui permettent de réduire l'aire de ces surfaces en appui l'une contre l'autre, lorsque le noyau plongeur est en position d'ouverture de la sortie du corps de vanne. Dans l'exemple de réalisation représenté sur cette figure 1, la surface correspondante 6a de la pièce magnétique 6 comporte en effet un épaulement annulaire continu 6b. Cette configuration permet de réduire les forces résiduelles entre la pièce magnétique 6 et le noyau plongeur 7, qui sont relativement importantes, et ce notamment au moment de la fermeture du corps de vanne, ces forces résiduelles limitant la génération de l'onde de pression de carburant et les fréquences de fonctionnement de cette vanne, par augmentation du temps de fermeture de l'électrovanne. On conçoit alors que la configuration décrite permet de réduire ces forces tout en optimisant l'entrefer et par conséquent, la consommation énergétique de cette électrovanne. I1 va de soi bien entendu que différentes formes de ces parties en saillie et en creux de ces surfaces de contact peuvent être envisagées. Par ailleurs, on a représenté sur la figure 2, la forme du courant moyen I appliqué par les moyens de commande 5a dans la bobine d'électro-aimant 5 lors de son excitation. De façon classique, un tel courant comporte deux phases, l'une dite d'appel désignée par la référence A sur cette figure, et l'autre dite de maintien désignée par la référence M sur cette figure. Une telle forme de courant permet en effet de créer des forces magnétiques d'attraction relativement importantes du noyau plongeur 7 lors de la phase de décollement de celui-ci, puis de limiter ces forces à un niveau suffisant pour maintenir le noyau plongeur 7 contre la pièce magnétique 6 notamment pour réaliser des économies d'énergie. Dans l'électrovanne selon l'invention, le courant I, à la fin de la phase d'appel A présente une pente réduite par rapport à celle du début de celle-ci, ce qui permet de réduire l'impact du noyau plongeur 7 sur la pièce magnétique 6 lors de l'ouverture de la sortie du corps de vanne et donc les risques de dégradation de ces pièces. Dans l'exemple de réalisation représenté sur cette figure 2, ce courant I présente en effet deux pentes désignées par Al et A2 respectivement sur cette figure, pour le début et la fin de la phase d'appel A de celui-ci. On constate en effet que durant la phase Al, le courant présente une pente relativement importante, tandis que durant la phase A2, le courant présente une pente réduite par rapport à celle de la première partie de cette phase. Bien entendu, d'autres formes de courant à pente réduite peuvent être envisagées et celui-ci peut par exemple présenter une pente décroissant progressivement et de manière continue vers la fin de cette phase d'appel. Durant la phase de maintien M, le courant I présente une pente positive et croît légèrement pour compenser l'augmentation de la force hydrodynamique exercée par le carburant sur le noyau plongeur, au fur et à mesure que la vitesse du carburant dans le corps de vanne augmente. En effet, lors de l'ouverture de la sortie du corps de vanne, la vitesse du carburant augmente dans celui-ci et la force hydrodynamique exercée par ce carburant sur le noyau plongeur traversé par le carburant, augmente donc en conséquence. Il convient alors d'augmenter progressivement le courant de maintien pour maintenir les moyens d'obturation en position d'ouverture du corps de vanne, jusqu'à une valeur correspondant à la vitesse maximale du carburant. Ainsi, le courant de maintien ne reste pas constant à la valeur nécessaire correspondant à la vitesse maximale du carburant pour une période d'ouverture de la vanne, ce qui permet de réaliser une économie d'énergie. Cette forme de courant est obtenue par des moyens de commande présentant n'importe quelle structure par exemple programmable classique. On conçoit donc que dans l'électrovanne selon l'invention, les caractéristiques qui viennent d'être décrites à propos des surfaces de contact de la pièce magnétique et du noyau plongeur et du courant d'excitation de la bobine d'électro-aimant appliqué à celle-ci par les moyens de commande de celle-ci, permettent d'optimiser le fonctionnement de cette électrovanne et en particulier son temps de réponse à l'ouverture et à la fermeture, sa fréquence de fonctionnement, sa durée de vie et sa consommation en énergie. REVENDICATIONS 1. Electrovanne notamment d'impact pour un système d'injection de carburant par effet de coup de bélier dans un moteur de véhicule, du type comportant un corps de vanne tubulaire (2) présentant à ses extrémités, une entrée (3) et une sortie (4) de carburant, et dans lequel est disposée une bobine d'électro-aimant (5) raccordée à des moyens d'alimentation (5a) de celle-ci et associée à une pièce magnétique tubulaire (6) et à un noyau plongeur tubulaire (7), disposés dans le prolongement l'un de l'autre dans l'évidement de la bobine d'électro-aimant, et présentant des surfaces de contact (6a,7b) en regard, le noyau plongeur (7) étant relié à des moyens d'obturation (8) de la sortie du corps de vanne (2) pour, en réponse à l'excitation ou non de la bobine d'électroaimant sous le contrôle des moyens d'alimentation de celle-ci, ouvrir ou fermer la sortie du corps de vanne, par déplacement axial du noyau plongeur (7) par rapport à la pièce magnétique (6) et venue en appui des surfaces de contact (6a,7b) de ceux-ci en position d'ouverture de la sortie du corps de vanne, et des moyens (11) de sollicitation élastique du noyau plongeur en position de fermeture de la sortie du corps de vanne, caractérisée en ce qu'au moins l'une des surfaces de contact (6a,7b) de la pièce magnétique (6) et/ou du noyau plongeur (7), comprend des parties en saillie et en creux afin de réduire l'aire de ces surfaces en appui l'une contre l'autre, lorsque le noyau plongeur (7) est en position d'ouverture de la sortie du corps de vanne. 2. Electrovanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens (5a) de commande de l'alimentation de la bobine d'électro-aimant (5) sont adaptés pour appliquer à celle-ci un courant (I) présentant une phase d'appel (A) et une phase de maintien (M), le courant en fin de phase d'appel présentant une pente (A2) réduite par rapport à celle (Al) du début de celleci, pour reduire l'impact du noyau plongeur (7) sur la pièce magnétique (6) lors de l'ouverture de la sortie du corps de vanne et donc les risques de dégradation de ces pièces. 3. Electrovanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que durant la phase de maintien (M), le courant (I) présente une pente positive pour compenser l'augmentation de force hydrodynamique exercée par le carburant sur le noyau plongeur (7), au fur et à mesure que sa vitesse augmente dans le corps de vanne.