Brevet FR2747740A1 — publié le 19971024

TUYAU D'INJECTION DE CARBURANT A HAUTE PRESSION POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE DE TYPE DIESEL La présente invention concerne un tuyau d'injection de carburant utilisé comme voie d'alimentation du carburant dans un moteur à combustion interne de type diesel, et plus particulièrement un tuyau épais d'injection de carburant à haute pression dont le diamètre relativement fin est d'environ 6,0 et 15,0 mm et l'épaisseur d'environ 2,2 à 5,5 mm. Alors qu'un tuyau en acier ayant une résistance à la traction de l'ordre de 340 N/mm2 à 410 N/mm2 avait été utilisé conventionnellement comme tuyau d"injection de carburant dans un moteur diesel, une pression interne élevée de 1200 bars ou plus, qui était le maximum jusqu'à aujourd'hui, est maintenant appliquée au tuyau d'injection de carburant et il est devenu nécessaire que ce dernier ait une plus grande résistance à la fatigue, pour supporter la pression interne élevée puisqu'un procédé d'injection de carburant atomisé à haute pression a été adopté afin de brûler plus complètement le carburant à l'intérieur des cylindres du moteur et de laisser échapper des gaz d'échappement plus propres, simultanément à la conduite du développement de la technologie de purification des gaz d'échappement à la suite de la limitation imposée aux gaz d'échappement des moteurs diesel. Comme contre-mesure, il existe une tendance à utiliser de l'acier ayant une résistance à la traction comprise entre 490 N/mm2 et 800 N/mm2. D'une façon générale, un tuyau de ce type en acier à grande résistance à la traction est fabriqué par étirage. Mais, le tuyau d'acier à résistance élevée à la traction fabriqué par étirage entraîne quelquefois la formation de fines rides d'une profondeur d'environ 100 micromètres sur la surface intérieure du tube pendant la formation à chaud d'un tube à partir d'un lingot et au cours des opérations d'usinage d'un gros tube pour obtenir les dimensions nécessaires par étirage (élongation). Les rides sont connues pour créer une différence entre les écoulements de matière à l'intérieur et à l'extérieur du tuyau, lesquelles se produisent quand le tuyau est usiné par réduction au moyen d'une filière depuis l'extérieur du tuyau, et par laminage au moyen d'un noyau à l'intérieur. C'est-à-dire qu'un tel phénomène apparaît à la suite d'un défaut d'élongation puisque la traction et l'élongation (ductilité et usinabilité) sont presque inversement proportionnelles. Ce phénomène apparaît nettement dans le cas d'un tuyau épais. En outre, puisque la ductilité est réduite, les rides situées sur la partie intérieure qui est laminée par le noyau demeurent sous forme de défauts consécutifs aux rides. En particulier, lorsqu'il existe de fines rides d'environ 100 micromètres de profondeur sur la surface intérieure du tuyau, il y a un risque d'apparition d'une destruction par fatigue et d'un éclatement du tuyau puisqu'une concentration d'effort apparaît dans la partie ridée lorsqu'une pression interne élevée dépassant 1200 bars est appliquée de manière répétitive à l'intérieur du tuyau. En outre, comme la réduction par étirage ne peut pas être effectuée en une seule opération d'étirage du tuyau d'acier à grande résistance à la traction, il faut effectuer un certain nombre d'opérations d'étirage pour obtenir les dimensions nécessaires du tuyau. Par conséquent, il se pose un problème puisque le coût de production du tuyau d'injection de carburant est élevé car outre la faible productivité, il faut augmenter les investissements en équipement en installant une machine d'élongation des tuyaux, une machine d'étampage, une machine de correction et analogues. Par exemple, dans le cas d'un tuyau en acier à forte résistance à la traction de l'ordre de 800 N/mm2, la réduction de la section transversale applicable en une seule opération d'étirage est limitée à environ 30 % dans les installations actuelles. Donc, dans le cas typique d'un tuyau sans joint mesurant 34 mm de diamètre de départ, bien qu'il soit possible d'atteindre la dimension d'un tuyau d'injection en quatre opérations d'étirage (nombre d'élongations du tube) pour des résistances classiques à la traction comprises entre 340 N/mm2 à 410 N/mm2, il faut effectuer huit opérations d'étirage sur un tuyau en acier ayant une résistance à la traction de l'ordre de 800 N/mm2. En outre, dans le cas d'un tuyau en acier à grande résistance à la traction de l'ordre de 800 N/mm2, un problème s'est posé du fait de différentes limites liées à l'étirage de l'élément à forte résistance à la traction telles que le grippage d'un outil comme une filière, la charge imposée à la machine d'étampage, la réduction du nombre des tuyaux étirés simultanément par la machine à étirer et d'autres problèmes qui doivent être résolus en plus de l'amélioration du procédé. C'est un objet de la présente invention de résoudre les problèmes ci- dessus en proposant un tuyau d'injection de carburant fabriqué en un acier à forte résistance à la traction qui peut supporter une pression interne élevée de 1200 bars ou davantage, en utilisant un tuyau gainé à double structure formé d'un tuyau intérieur et d'un tuyau extérieur en remplacement du tuyau conventionnel d'injection de carburant formé à partir d'un tuyau à une seule couche. Le tuyau d'injection de carburant de l'invention pour moteur diesel est caractérisé en ce que dans la structure à double tuyau formée d'un tuyau intérieur et d'un tuyau extérieur, le tuyau intérieur est un tuyau à joint soudé fabriqué en tôle d'acier à forte résistance à la traction, par exemple, en acier inoxydable ou en acier au manganèse ayant une épaisseur de 0,4 à 1,5 mm et le tuyau extérieur est un tuyau en acier fabriqué dans le même matériau que le tuyau intérieur ou en acier au carbone. La nature spécifique de la présente invention ainsi que d'autres objets et avantages apparaîtront clairement d'après la description suivante et d'après les dessins annexés. - la figure 1 est une vue d'une section agrandie partiellement découpée représentant un exemple d'un tuyau métallique, épais, double, selon l'invention, ayant un diamètre intérieur fin; - la figure 2 est une vue avant longitudinale le long de la ligne A-A de la figure 1; et - la figure 3 est un graphe représentant le résultat d'un test de longévité sur des tuyaux d'injection de carburant. Dans la présente invention, un tuyau double est utilisé comme tuyau d'injection de carburant de façon à pouvoir obtenir un tuyau épais d'injection de carburant à haute pression, ayant un diamètre relativement fin, par des opérations d'étirage moins nombreuses et en évitant les fines rides qui pourraient sinon se produire de manière remarquable sur la surface intérieure d'un tuyau épais. En plus, dans ce cas, un tuyau à joint soudé, fabriqué en tôle d'acier à forte résistance à la traction de l'ordre de 490 à 800 N/mm2 comme de l'acier inoxydable ou de l'acier au manganèse (acier contenant du manganèse) et ayant une épaisseur de 0,4 à 1,5 mm est utilisé pour les motifs suivants. Précisément, comme le tuyau à joint soudé permet d'utiliser comme matière première une tôle d'acier laminée à froid qui ne présente aucune ride et dont l'état de surface est bon, il est possible de fabriquer un tuyau ayant une surface intérieure lisse tout en évitant le paramètre qui provoque les rides (grande usinabilité), dans la fabrication d'un tuyau sans joint à partir d'un lingot. En outre, comme le tuyau à joint soudé permet de réduire l'épaisseur du tuyau intérieur entre 0,4 et 1,5 mm, la différence de facilité d'usinage à l'intérieur et à l'extérieur de l'épaisseur est faible pendant l'allongement du tuyau, ce qui permet de supprimer les rides dont la profondeur est supérieure à micromètres. Une recherche conduite par l'auteur et d'autres, a permis de montrer qu'un tuyau à joint soudé ayant un diamètre extérieur de 6, 4 mm et un diamètre intérieur de 1,8 mm a une grande résistance à la fatigue même si une pression intérieure d'environ 1700 bars est appliquée à l'intérieur du tuyau lorsque la profondeur de la ride de la face intérieure est inférieure à micromètres. Aussi, lorsque le tuyau à joint soudé fabriqué en utilisant de l'acier à forte résistance à la traction, de l'ordre de 490 à 800 N/mm2, par exemple, de l'acier inoxydable ou de l'acier au manganèse est utilisé pour le tuyau intérieur, ce tuyau peut supporter un effort maximal sur sa surface intérieur, même si une grande pression intérieure d'environ 1800 bars est appliquée au tuyau en éliminant pratiquement tout risque d'éclatement du tuyau. Dans ce cas, il faut naturellement maintenir la profondeur des rides, dans la partie du soudage et dans la partie affectée par la chaleur, là o existe un risque de formation de rides, principalement sur le tuyau à joint soudé, à moins de 25 micromètres. On remarque que si l'épaisseur du tuyau intérieur est inférieure à 0,4 mm, l'influence du tuyau extérieur est transmise à la surface intérieure du tuyau, et qu'une marque de correction est créée sur la surface intérieure lorsque le tuyau est corrigé pour être redressé. D'autre part, lorsque l'épaisseur dépasse 1,5 mm, le tuyau intérieur sert de mandrin en créant un espace entre le tuyau intérieur et le tuyau extérieur. Cependant, puisque le tuyau extérieur n'a pas besoin d'avoir une résistance à la fatigue si grande que le tuyau intérieur pour supporter la pression intérieure, il est possible d'utiliser un tuyau sans joint fabriqué en acier doux. Mais, en utilisant un tuyau en acier à forte résistance à la traction, en acier inoxydable et en acier au manganèse correspondant à la résistance à la fatigue nécessaire contre la pression interne pour constituer le tuyau sans joint, il est possible d'obtenir une longue durée de vie. La présente invention est expliquée ci-dessous en référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue d'une section agrandie partiellement découpée représentant un exemple d'un tuyau métallique épais, double, selon l'invention, ayant un diamètre intérieur fin, et la figure 2 est une vue longitudinale avant le long de la ligne A-A de la figure 1. Sur les figures, le numéro de référence (1) désigne le tuyau extérieur, (2) désigne le tuyau intérieur, et (3) désigne un passage. C'est-à-dire que le double tuyau métallique de l'invention comprend le tuyau extérieur relativement épais 1 qui a un diamètre extérieur d'environ 15 mm ou moins et un diamètre intérieur fin, ce tuyau est constitué en acier au carbone ou en acier inoxydable par exemple, et le tuyau fin intérieur 2 qui est embouti pour être positionné à l'intérieur du tuyau extérieur 1 et former le passage 3, qui est construit en forme de tuyau en acier inoxydable à joint soudé, et dont l'épaisseur est comprise entre 0,4 et 1,5 mm. Puisque le tuyau intérieur 2 constitué par un tuyau en acier à joint soudé est mis en forme de tube en utilisant comme matériau une tôle d'acier laminée à froid (acier à forte résistance à la traction) n'ayant aucune ride et ayant un bon état de surface, et qu'il n'y a aucun paramètre susceptible de créer des rides dans la formation du tuyau sans joint à partir du lingot, ce tuyau à une surface intérieure lisse. Puisque l'épaisseur du tuyau intérieur est aussi mince que 0,4 à 1,5 mm, il n'y a presque aucun risque de former des rides à I'allongement. Des formes de réalisation préférées de la présente invention sont expliquées ci-dessous. La figure 3 est un graphe représentant le résultat d'un test de longévité du tuyau d'injection de carburant comprenant le tuyau extérieur ayant la composition représentée sur le tableau 1 (acier doux), et comme dimensions: 6,4 mm de diamètre extérieur, 1,8 mm d'épaisseur et 2,8 mm de diamètre intérieur, et le tuyau intérieur construit en forme de tuyau à joint soudé ayant la composition (acier à forte résistance à la traction) indiquée aussi sur le tableau 1, les dimensions de 2,8 mm de diamètre extérieur, 0,5 mm d'épaisseur et 1,8 mm de diamètre intérieur avec, sur la face intérieure, des rides d'une profondeur de 25 micromètres ou moins. Le résultat de ce test de longévité a été obtenu en reliant les tuyaux d'injection de carburant à tester à des pompes expérimentales d'injection de carburant en connectant un porte injecteurs au bout du tuyau d'injection de carburant, et en pratiquant un test d'injection dix millions de fois sur chaque tube d'injection de carburant en utilisant comme carburant une huile légère. Tableau 1 C Si Mn P S Cr Mo Tube 0,00 0,00 intérieur 0,16 0,26 1,46 8 1 0,55 0,55 Tube extérieur 0,08 0,28 0,45 (masse en %) La figure 3 représente aussi le résultat d'un test de longévité d'un autre tuyau d'injection de carburant comprenant un tuyau extérieur fabriqué avec le même matériau que celui de la première forme de réalisation ayant comme dimensions: 6,4 mm de diamètre extérieur 1, 9 mm d'épaisseur et 2,6 mm de diamètre intérieur, et un tuyau intérieur formé par un tuyau à joint soudé en SUS 304 ayant comme dimensions: 2,6 mm de diamètre extérieur, 0,4 mm d'épaisseur et 1,8 mm de diamètre intérieur, et à l'intérieur des rides faciales de 25 micromètres de profondeur ou moins. Le procédé de test était le même que celui de la première forme de réalisation. La figure 3 représente aussi les résultats de tests de longévité analogues effectués, à titre de comparaison, sur un tuyau d'injection de carburant utilisant un tuyau extérieur fabriqué en STS 35 et ayant le même diamètre extérieur et la même épaisseur que celui de la première forme de réalisation, et un tuyau intérieur constitué par un tuyau sans joint (résistance à la traction 800 N/mm2) fabriqué en SUS 304, ayant des rides sur la face intérieure d'une profondeur de 35 micromètres ou moins avec le même diamètre extérieur, la même épaisseur et le même diamètre intérieur que le tuyau de la première forme de réalisation, et sur un tuyau d'injection de carburant formé par un simple tuyau fabriqué en acier à grande résistance à la traction, ayant le même diamètre extérieur et la même épaisseur que ci-dessus (résistance à la traction: 490 N/mm2). Comme le montre le résultat représenté sur la figure 3, dans le cas du tuyau d'injection de carburant formé d'un simple tuyau en acier à forte résistance à la traction, alors qu'un tuyau ayant sur sa face intérieure des rides de 25 micromètres de profondeur ou moins n'éclataient pas dans une gamme de pics de pression du côté gicleur de 1600 à 1700 bars, un tuyau ayant, sur sa face intérieure, des rides dépassant 40 micromètres de profondeur entraînaient une destruction par la fatigue et éventuellement un éclatement sous l'effet de la concentration des efforts qui apparaissaient dans la partie ridée au voisinage du pic de pression ci-dessus du côté gicleur. Egalement dans le cas d'un tuyau d'injection double, bien qu'il soit égal ou supérieur au tuyau d'injection simple décrit ci-dessus, puisqu'il peut supporter une pression interne de 1800 bars au maximum lorsque les rides de la face intérieure ont une profondeur de 25 micromètres ou moins, une destruction par la fatigue et un éclatement au voisinage de 1700 bars se produisaient quand les rides de la face intérieure avaient une profondeur de 30 micromètres ou plus. Au contraire, les tuyaux d'injection de carburant des première et seconde formes de réalisation de la présente invention utilisant le tuyau à joint soudé comme tuyau intérieur, n'ont présenté aucune destruction à la fatigue et il n'y a eu aucun risque d'éclatement même si une pression interne élevée voisine de 1700 bars était appliquée à l'intérieur du tuyau de manière répétitive jusqu'à dix millions de fois. Selon la description ci-dessus, le tuyau d'injection de carburant pour moteur diesel de la présente invention a comme excellent effet de réduire la concentration des efforts dus aux rides sur la face intérieure et que le tuyau mince construit de manière conventionnelle peut être utilisé sans créer de destruction à la fatigue en employant le tuyau intérieur qui est fabriqué à partir d'une tôle d'acier à forte résistance à la traction, de l'ordre de 490 à 800 N/mm2, et en maintenant les rides de la face intérieure à une profondeur égale ou inférieure à 25 micromètres. Bien que des formes de réalisation préférées aient été expliquées, des variantes peuvent apparaître aux spécialistes de la technique en restant dans le cadre des principes de la présente invention, tels qu'ils sont définis par les revendications annexées. 2747740 REVENDICATIONS 1. Tuyau d'injection de carburant à haute pression pour moteur diesel ayant une structure épaisse de double tuyau, comprenant un tuyau intérieur et un tuyau extérieur, et ayant un diamètre inférieur fin agencé de manière que ledit tuyau intérieur soit un tuyau à joint soudé construit en tôle d'acier à résistance élevée à la traction, ayant une épaisseur de 0,4 à 1,5 mm, et ledit tuyau extérieur soit un tuyau épais en acier. 2. Tuyau d'injection de carburant à haute pression selon la revendication 1, dans lequel ledit tuyau intérieur est fabriqué en acier inoxydable ou en acier au manganèse. 3. Tuyau d'injection de carburant à haute pression selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit tuyau intérieur a une résistance à la traction de l'ordre de 490 à 800 N/mm2. 4. Tuyau d'injection de carburant à haute pression selon la revendication 1, dans lequel ledit tuyau extérieur est fabriqué avec le même matériau que ledit tuyau intérieur, ou en acier au carbone. 5. Tuyau d'injection de carburant à haute pression selon la revendication 1, ayant un diamètre d'environ 6,0 à 15 mm et une épaisseur d'environ 2,2 à 5,5 mm. 6. Tuyau d'injection de carburant à haute pression selon la revendication 1, dans lequel ledit tuyau à joint soudé est mis en forme de tube à partir d'une tôle d'acier laminée à froid. 7. Tuyau d'injection de carburant à haute pression selon la revendication 1, ledit tuyau extérieur est formé d'un tuyau en acier sans joint. 8. Tuyau d'injection de carburant à haute pression selon la revendication 1, dans lequel ladite double structure de tuyau est construite il 2747740 en ajustant serré ledit tuyau intérieur et ledit tuyau extérieur par étirage des tuyaux.