Brevet FR2766238A1 — publié le 19990122

DISPOSITIF D'INJECTION DE COMBUSTIBLE POUR MOTEURS DIESEL La présente invention concerne un dispositif d'injection de combustible pour moteurs Diesel équipés de pompes d'injection à débit pulsé, ce dispositif comportant, par piston, au moins un injecteur recevant au moins une aiguille d'injecteur tarée agencée pour mjecter des jets de combustible cabrés dans la chambre de combustion dudit piston, une canalisation d'alimentation haute pression du combustible et une canalisation retour basse pression du combustible. Dans les dispositifs d'injection connus, équipés de pompes d'injection à débit pulsé, individuelles, monoblocs ou distributrices, l'aiguille d'injecteur est contrôlée par un dispositif de rappel simple agissant directement sur l'aiguille et comportant un ou plusieurs ressorts. Ce dispositif de contrôle de aiguille d'injecteur présente de plus en plus de difficultés à répondre à l'évolution du cahier des charges de développement des moteurs Diesel La contrainte technique est principalement liée aux domaines de l'environnement et de l'économie tels que les émissions de polluantes (oxydes d'azote, hydrocarbures, particules, etc.), le bruit émis par le moteur ou la consommation en combustible. Les besoins d'optimisation des systèmes de combustion pour prendre en compte ces évolutions de cahier des charges nécessitent un effort particulier sur le procédé d'injection. Les stratégies classiques habituellement utilisées sont par exemple: - l'augmentation du rapport volumétrique de compression, - la réduction de l'avance à l'injection, - l'accroissement des pressions d'injection. Ces stratégies visent à comprimer la période principale de combustion sur un intervalle de temps plus court et mieux localisé dans le début de la détente. Malgré tout, la performance de combustion reste très sensible aux détails de forme de la loi d'introduction du combustible dans la chambre de combustion. Le but de la présente invention est d'apporter une solution efficace pour améliorer la performance du dispositif d'injection afin de satisfaire efficacement les exigences de plus en plus sévères. Ce but est atteint par un dispositif d'injection tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de contrôle de l'ouverture et de la fermeture de ladite aiguille piloté par une électrovanne, ce dispositif étant agencé pour créer une pression hydraulique de fermeture sur l'aiguille d'injecteur directement ou par l'intermédiaire d'un piston. Dans une forme de réalisation préférée, le dispositif de contrôle comporte un circuit de décharge disposé en dérivation entre les canalisations d'alimentation et retour du combustible, contrôlé par ladite électrovanne et agencé pour commander couverture et la fermeture d'un orifice de décharge relié à la canalisation retour. De préférence, ce dispositif de contrôle comporte, en amont de l'électrovanne, une vanne de décharge pourvue d'un orifice calibré, cette vanne étant en communication à la fois avec ladite électrovanne et l'orifice de décharge et étant agencée pour assurer à la fois la progressivité du début de l'injection et la rapidité de clôture de cette injection par déviation du flux de combustible non injecté vers ledit orifice de décharge agissant sur l'aiguille d'injecteur et vers la canalisation retour. Dans la forme de réalisation préférée, le circuit de décharge est indépendant du circuit d'injection haute pression du combustible pendant l'injection, la vanne de décharge et l'électrovanne étant fermées. Le dispositif de contrôle comporte, avantageusement, un clapet taré disposé en amont ou en aval de l'électrovanne, ce clapet étant agencé pour maintenir le dispositif d'injection à un niveau requis de pression entre deux injections. En fonction des modes de réalisation de rinvention, les différents composants du dispositif de contrôle peuvent être intégrés partiellement ou totalement dans l'injecteur. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'une forme de réalisation, illustrée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma fonctionnel de la configuration de base du dispositif d'injection selon l'invention, - les figures 2 à 7 représentent un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lesquelles: la figure 2 est une vue en coupe axiale selon l'axe 11-11 de la figure 4, . la figure 3 est une vue en coupe axiale selon l'axe ffi-ffl de la figure 4, la figure 4 est une vue en coupe radiale selon l'axe IV-IV de la figure 3, la figure 5 est une vue de détail en coupe selon l'axe V-V de la figure 4, la figure 6 est une vue de détail en coupe de la vanne de décharge, et . la figure 7 est une vue de détail en coupe du clapet taré. En référence à la figure 1, le dispositif d'injection 1 pour moteurs Diesel comporte, de manière connue, une canalisation basse pression 2 qui alimente en combustible une pompe 3 à débit pulsé qui alimente un injecteur 4 pourvu d'une aiguille d'injecteur 5 par un clapet anti-retour 6 et une canalisation haute pression 7. L'injecteur 4 est par ailleurs relié à une canalisation retour basse pression 8. Un clapet de contrôle 9 de la décharge de la pompe 2 peut être monté en dérivation sur le clapet anti-retour 6. L'aiguille d'injecteur 5 est soumise à l'action d'un ou de plusieurs ressorts de tarage 10 et permet de contrôler les jets de combustible 11 haute pression qui pénètrent dans la chambre de combustion (non représentée) d'un piston d'un moteur Diesel (non représenté). La cavité contenant le ou les ressorts de tarage 10, non reliée à la haute pression, est en communication avec ladite canalisation retour basse pression 8. Le dispositif d'injection 1, conformément à la présente invention, comporte, du côté de l'injecteur 4, un dispositif de contrôle 20 agissant directement sur l'aiguille d'injecteur 5 pour améliorer son pilotage aussi bien à l'ouverture qu'à la fermeture. Ce dispositif de contrôle 20 comporte un circuit de décharge 21 en dérivation entre les canalisations d'alimentation 7 et de retour 8 du combustible. il comporte une vanne de décharge 22, pourvue d'un orifice calibré 23, un clapet taré 24, une électrovanne 25 commandée par un solénoïde 26, un orifice de décharge calibré 27 prévu sur la canalisation retour 8. Chaque injecteur 4 de moteur Diesel recevra le même dispositif de contrôle 20. En référence aux figures 2 à 7, le dispositif d'injection est illustré selon une forme de réalisation préférée de l'invention dans laquelle le dispositif de contrôle 20 est totalement intégré dans un ensemble injecteur contenant l'injecteur 4. Cet injecteur 4 de forme standard porte l'aiguille d'injecteur 5 dont la pointe 5a ferme des buses d'injection 12 du cornbustible quand ladite aiguille est en position basse. Cette aiguille 5 est contrôlée de manière classique par un ressort de tarage 10 qui exerce une pression sur la tête 5b de l'aiguille, le ressort et la tête étant logés dans une cavité 13 coaxiale à ladite aiguille. L'ensemble injecteur est composé de plusieurs pièces assemblées l'une sur l'autre pour faciliter l'intégration du dispositif de contrôle 20. Plus particulièrement, de bas en haut, cet ensemble injecteur comporte: une pièce A, qui constitue l'injecteur 4 proprement dit, dans laquelle sont ménagés un logement de guidage 14 pour l'aiguille d'injecteur 5 et l'arrivée de la canalisation d'alimentation 7 haute pression de combustible dans une chambre annulaire 15 disposée autour de l'aiguille, une pièce B, qui sert de butée à l'aiguille d'injecteur 5, dans laquelle sont ménagées la base de la cavité 13 recevant la tête 5b de l'aiguille et la suite de la canalisation d'alimentation 7 haute pression, une pièce C, qui constitue le corps du porteinjecteur, dans laquelle sont ménagés le reste de la cavité 13 recevant le ressort de tarage 10, le reste de la canalisation d'alimentation 7 haute pression, le début du circuit de décharge 21 et le début de la canalisation retour 8 reliée à ladite cavité 13, une pièce D, qui constitue le bloc principal du dispositif de contrôle 20, dans laquelle sont ménagés la suite de la canalisation retour 8 du combustible, la vanne de décharge 22 et son orifice calibré 23, le clapet taré 24 et l'orifice de décharge 27, une pièce E, qui constitue l'ensemble électrovanne, dans laquelle est ménagée l'électrovanne 25 avec son solénoïde 26 de commande. Dans cette réalisation, l'orifice calibré 23, appelé aussi ajutage, est intégré dans la vanne de décharge 22 (figure 6), cette vanne comportant un ressort de rappel taré 22'. Le clapet taré 24 comporte un ressort de rappel taré 24' et des orifices radiaux 28 (figure 7). L'électrovanne 25 comporte un ressort de rappel 25'. L'orifice de décharge 27, appelé aussi ajutage, relie la canalisation retour 8 basse pression entre les pièces C et D. Le circuit de décharge 21 est en dérivation sur la canalisation d'alimentation haute pression 7, traverse la vanne de décharge 22 par l'orifice calibré 23, le clapet taré 24 et l'électrovanne 25 vers la canalisation retour basse pression 8. Une part de la dérivation à partir de la canalisation haute pression 7 traverse la vanne de décharge 22, puis l'orifice de décharge 27. La cavité 13 du ressort de tarage 10 est en communication avec cette dérivation entre le vanne de décharge 22 et l'orifice de décharge 27. Le fonctionnement du dispositif d'injection 1 selon l'invention peut être décrit comme suit. - Au repos, rélectrovanne 25 est ouverte. Toutes les autres vannes ou clapets 22, 24 sont fermés sous l'effet des ressorts 22', 24'. Aucun débit ne traverse le dispositif d'injection 1. La pression résiduelle dans ce circuit est maintenue à un niveau requis par le clapet taré 24. - Au début du refoulement et après fermeture des orifices de remplissage de la pompe 3, celle-ci délivre son débit au travers du clapet anti-retour 6. La pression croît dans la canalisation d'alimentation 7 ainsi que devant la vanne de décharge 22 et son orifice calibré 23. Lorsque le débit traversant l'orifice calibré 23 ainsi que le clapet taré 24 est suffisant, la vanne de décharge 22 s'ouvre et laisse passer le débit vers l'orifice de décharge 27 en direction de la canalisation retour 8. La pression, appelée pression de fermeture, dans la cavité 13 du ressort de tarage 10, raccordée en amont de l'orifice de décharge 27, assure, par sa poussée sur l'aiguille d'injecteur 5, le maintien en position fermée de l'injecteur 4. - Le début de l'injection est piloté par le signal électrique sur le solénoïde 26 qui ferme rélectrovanne 25. Le débit au travers du clapet taré 24 s'interrompt. Le débit au travers de l'orifice calibré 23 de la vanne de décharge 22 combiné à l'effort fourni par le ressort 22' ferme progressivement la vanne de décharge 22. La pression de combustible appliquée à l'aiguille d'injecteur 5 dans la chambre 15, appelée pression d'ouverture, croît, tandis que la pression de fermeture appliquée du coté du ressort de tarage 10 décroît, jusqu'à ce que l'aiguille d'injecteur 5 s'ouvre. L'injection débute dès cette ouverture. La modulation du début de l'injection dépend principalement de la vitesse de fermeture de la vanne de décharge 22. - Lorsque l'injection est établie, les vannes ou clapets 22, 24, 25 sont fermés. La totalité du débit fourni par la pompe d'injection 2 est acheminée vers l'aiguille d'injecteur 5 sans aucune restriction et génère les jets d'injection 1 1 avec toute la pression dont est capable le dispositif d'injection 1. - La fin de l'injection est déclenchée quand le signal électrique sur le solénoïde 26 est interrompu L'électrovanne 25 s'ouvre sous l'effet de son ressort 25'. La pression de commande sur la vanne de décharge 22 est brusquement réduite. Cette vanne s'ouvre alors rapidement. La pression dans le circuit d'injection décroît légèrement du fait du faible débit de décharge acheminé vers l'orifice de décharge 27, ce qui génère la montée en pression du côté du ressort de tarage 10 sur l'aiguille d'injecteur 5 assurant sa fermeture. L'aiguille d'injecteur 5 se fermant, l'injection s'interrompt brusquement, avant que la chute de pression dans la canalisation d'alimentation 7 haute pression ne soit significative. Le débit, encore fourni par la pompe d'injection 3 traverse la vanne de décharge 22 et les orifices 23 et 27. Les pressions de fermeture et d'ouverture, de part et d'autre de l'aiguille d'injecteur 5 étant voisines, l'aiguille reste fermée sous l'action de son ressort 10. La pression décroît progressivement par l'effet de la décharge au travers de l'orifice de décharge 27 et de la canalisation retour 8. - Lors de l'arrêt du refoulement de la pompe d'injection 3, provoqué par l'ouverture de ses orifices de décharge, la pression décroît fortement dans l'ensemble du dispositif d'injection 1. Dès que le débit traversant l'orifice calibré 23 est suffisamment petit, la vanne de décharge 22 se ferme. La pression de fermeture assurant le maintien en position fermée de l'aiguille d'injecteur 5 s'élimine progressivement. La pression résiduelle dans l'ensemble du circuit haute pression est alors contrôlée par le clapet taré 24 combiné éventuellement à l'action du clapet de contrôle 9 de la pompe d'injection 3. Selon les possibilités d'intégration, les choix de construction ou les modes de fonctionnement du dispositif d'injection 1 selon l'invention, il est possible: - d'ajouter un vérin permettant de pousser sur l'aiguille d'injecteur de faucon moins compressible que par la pressurisation de la cavité 13 servant à loger le ressort de tarage 10. Dans ce cas, la section du vérin peut être égale ou supérieure à celle du logement 14 de l'aiguille 5 en vue d'accroître la poussée de fermeture, - d'incorporer dans rensemble injecteur contenant l'injecteur 4, tout ou partie des éléments composant le dispositif de contrôle 20, à savoir la vanne de décharge 22, le clapet taré 24, l'électrovanne 25 et les orifices calibrés 23, 27, - de combiner l'orifice calibré 23 à la vanne de décharge 22 ou de les réaliser séparément - de placer le clapet taré 24 en amont ou en aval de l'électrovanne 25, d'utiliser d'une pompe d'injection 3 possédant un contrôle de la quantité injectée par des rampes sur le piston de pompe, ce qui permet, soit de limiter la quantité refoulée pour optimiser l'énergie nécessaire au pompage, soit de contrôler l'injection en mode secours. Ce mode secours est alors obtenu en laissant sous tension les solénoïdes, ou en forçant mécaniquement, en vue de la fermeture permanente les électrovannes. - d'appliquer le dispositif de contrôle 20 à une ligne d'injection raccourcie, éventuellement jusqu'à suppression de la canalisation d'alimentation 7 haute pression, y compris à un injecteur-pompe. La description ci-dessus démontre que l'invention atteint les buts mentionnés Notamment, ce dispositif d'injection permet: - de contrôler l'avance à l'injection, le début de l'injection dépendant quasi exclusivement du positionnement dans le cycle du début du signal électrique sur le solénoïde 26 de l'électrovanne 25, - de doser la quantité injectée, qui est principalement dépendante de la durée du signal électrique sur le solénoïde 26 de l'électrovanne 25, en tenant compte de la loi de refoulement de la pompe d'injection 3, - d'assurer la sécurité de marche. Sans signal électrique, l'électrovanne 25 de commande reste ouverte et la vanne de décharge 22 laisse passer tout le débit de combustible vers le circuit de décharge 21, 27, 8. Dans le cas où les vannes 22, 25 resteraient bloquées en position fermée, la quantité maximale injectée est limitée à la quantité refoulée par la pompe d'injection. Cette quantité peut être ajustée dans le cas où la pompe d'injection est traditionnelle par son mode secours. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme de métier. Notamment, ce dispositif d'injection 1 peut être optimisé par: - l'ajustement de la pression résiduelle par le clapet taré 24, ce qui évite la cavitation dans le dispositif d'injection 1, - la maîtrise du gradient de débit en début d'injection, calibrée par le diamètre de l'orifice calibré 23 et la force du ressort 22' de la vanne de décharge 22, - la pression d'ouverture de l'aiguille d'injecteur 5, maîtrisée par le tarage du ressort 10 de ladite aiguille. La pression de fermeture ne dépend pas de la pression d'ouverture, ce qui ne nécessite pas d'exagérer le tarage de l'aiguille d'injecteur 5 par le ressort de tarage 10. La fermeture est provoquée par la pression générée par le débit acheminé vers la canalisation retour basse pression 8 au travers de l'orifice de décharge 27. A cet effet la somme des sections des orifices calibré 23 et de décharge 27 doit être supérieure à la somme des sections des buses d'injection 12 alimentant les jets de combustible 11. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection (1) de combustible pour moteurs Diesel équipés de pompes d'injection (3) à débit pulsé, ce dispositif comportant, par piston, au moins un injecteur (4) recevant au moins une aiguille d'injecteur tarée (5) agencée pour injecter des jets de combustible (11) cahbrés sous pression dans la chambre de combustion dudit piston, une canalisation d'alimentation (7) haute pression du combustible et une canalisation retour (8) basse pression du combustible, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de contrôle (20) de l'ouverture et de la fermeture de ladite aiguille (5) piloté par une électrovanne (25), ce dispositif étant agencé pour créer une pression hydraulique de fermeture sur l'aiguille d'injecteur (5). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression hydraulique de fermeture est appliquée directement sur l'aiguille d'injecteur (5). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression hydraulique est appliquée sur l'aiguille d'injecteur (5) par l'intermédiaire d'un piston. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (20) comporte un circuit de décharge (21) disposé en dérivation entre les canalisations d'alimentation (7) et retour (8) du combustible, contrôlé par ladite électrovanne (25) et agencé pour commander l'ouverture et la fermeture d'un orifice de décharge (27) relié à la canalisation retour (8). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (20) comporte, en amont de l'électrovanne (25), une vanne de décharge (22) pourvue d'un orifice cabré (23), cette vanne étant en communication à la fois avec ladite électrovanne (25) et l'orifice de décharge (27) et étant agencée pour assurer à la fois la progressivité du début de l'injection et la rapidité de clôture de cette injection par déviation du flux de combustible non injecté vers ledit orifice de décharge (27) agissant sur l'aiguille d'injecteur (5) et vers la canalisation retour (8). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de décharge (21) est indépendant du circuit d'injection (7) haute pression du combustible pendant l'injection, la vanne de décharge (22) et rélectrovanne (25) étant fermées. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (20) comporte un clapet taré (24) disposé en amont ou en aval de l'électrovanne (25), ce clapet étant agencé pour maintenir le dispositif d'injection (1) à un niveau requis de pression entre deux injections. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les différents composants (22 - 27) du dispositif de contrôle (20) sont intégrés partiellement ou totalement dans l'injecteur (4).