Brevet FR2762648A1 — publié le 19981030

DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention se rapporte à un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne destiné notamment à équiper un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection de carburant utilisant un actuateur piézo-électrique pour atomiser le carburant injecté sous forme de très fines gouttelettes. Les dispositifs d'injection de carburant utilisés aujourd'hui sur les moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles ou routiers, fonctionnent classiquement sur le modèle d'une vanne dont on commande en permanence l'état ouvert ou fermé, le dosage du carburant injecté se faisant alors directement par le temps d'ouverture. De tels systèmes d'injection comprennent une pompe électrique d'alimentation en carburant qui alimente, par le canal d'une rampe de distribution, l'ensemble des injecteurs sous une pression présentant une différence constante avec la pression régnant dans le collecteur d'admission grâce à un régulateur de pression. En contrôlant électroniquement l'électro-aimant actionnant la soupape de chaque injecteur, on commande le début et la durée d'ouverture de celle-ci et on détermine alors un débit précis de carburant pour chacun des injecteurs, ainsi la quantité de carburant injectée dépend uniquement du temps d'ouverture des électroinjecteurs. Les injecteurs du type à aiguille commandée électromagnétiquement, qui sont les plus communément employés, présentent toutefois des limites qui freinent l'amélioration des performances des moteurs notamment en terme de dépollution. En particulier les temps mis pour ouvrir ou fermer les aiguilles sont encore trop élevés, d'environ 1 à 2 ms, ce qui empêche de répartir correctement l'injection sur tout le temps d'ouverture de la soupape. De plus, le temps minimum d'ouverture, qui détermine la dose minimale de carburant pouvant être injecté, est encore trop important pour certains points de fonctionnement moteur. Les injecteurs à aiguille connus présentent par ailleurs des orifices d'injection de diamètres relativement importants pour permettre de débiter les quantités requises de carburant pour les fonctionnements à pleine charge et hauts régimes des moteurs. Cette disposition génère des jets de carburant présentant des gouttes de fortes dimensions, ce qui freine la vaporisation du carburant (et donc la préparation du mélange carburé) et est à même de favoriser le phénomène de mouillage de paroi. En effet, le carburant non vaporisé tend à se déposer sur les parois du conduit d'admission ou de la chambre de combustion (en injection directe). Un tel dépôt entraîne des problèmes de dosage, particulièrement aigus dans les transitoires par manque de connaissance de la quantité de carburant qui rentre effectivement dans la chambre de combustion correspondante. Ce phénomène de mouillage des parois est l'une des causes importantes des fortes émissions de polluants lors des démarrages à froid des moteurs. Par ailleurs, avec un injecteur classique à aiguille, à l'ouverture de l'aiguille lorsque cette dernière commence à quitter son siège, il se forme un bulbe de liquide qui disparaît lorsque l'aiguille est complètement levée, l'écoulement du fluide se régularisant alors. Ce changement dans la nature de l'écoulement rend impossible tout contrôle précis du débit instantané de l'injecteur. Certains ont cherché à résoudre ces différents problèmes, en développant des injecteurs utilisant des actuateurs piézo-électriques pour manoeuvrer l'aiguille de façon à abaisser la durée d'ouverture et de fermeture de l'aiguille, mais de tels systèmes qui fonctionnent toujours selon le principe d'une vanne, conservent des inconvénients importants liés notamment à la dispersion importante affectant la taille des gouttes dans le jet de carburant au sortir du nez de l'injecteur. L'ensemble des problèmes cités précédemment se solde donc par une vaporisation du carburant pouvant être incomplète et non homogène lors de la préparation du mélange carburé dans la chambre de combustion, des dosages imprécis, avec pour conséquence une combustion incomplète se traduisant par la formation d'une quantité élevée de gaz polluants et un déficit énergétique altérant le rendement du moteur. L'objet de la présente invention est donc de résoudre l'ensemble de ces problèmes en proposant un dispositif d'injection apte à délivrer un nuage de gouttes de carburant dont les tailles sont parfaitement calibrées pour assurer un dosage précis et suffisamment petites pour assurer la vaporisation complète et homogène du carburant injecté. Le dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne selon l'invention est du type comprenant un injecteur relié à un circuit d'alimentation en carburant sous une pression adaptée, cet injecteur comportant une buse d'injection à l'extrémité de laquelle est ménagé au moins un orifice d'injection de carburant. Selon l'invention, le dispositif d'injection est caractérisé en ce que l'injecteur coopère avec des moyens de mise en vibration cyclique pilotés par le système électronique de contrôle moteur de façon à provoquer des oscillations mécaniques en flexion de la buse d'injection, cette buse d'injection étant adaptée pour éjecter une quantité de carburant prédéterminée à chacune de ses oscillations. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection de carburant objet de l'invention, la buse d'injection est formée par une pluralité de canaux de dimensions adaptées, réunis en faisceau. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection de carburant objet de l'invention, les canaux formant la buse d'injection sont adaptés pour être alimentés en carburant par capillarité. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection de carburant objet de l'invention, ces canaux présentent des orifices d'injection adaptée pour éjecter le carburant sous forme de gouttelettes de tailles données. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection de carburant objet de l'invention, l'injecteur présente une partie élastiquement déformable qui coopère avec les moyens de mise en vibration cyclique pilotés par le système électronique de contrôle moteur, la buse d'injection étant solidaire de cette partie déformable. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection de carburant objet de l'invention, cette partie élastiquement déformable est formée par une chambre s'étendant dans le prolongement d'un réservoir de carburant auquel est connecté le circuit d'alimentation en carburant par l'intermédiaire d'une vanne pilotée dont l'ouverture est commandée en fonction du niveau de remplissage dudit réservoir. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection de carburant objet de l'invention, le réservoir de carburant incorporé à l'injecteur coopère avec des moyens de régulation permettant d'ajuster la pression à la pression régnant dans le circuit d'admission d'air du moteur. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection de carburant objet de l'invention, les moyens de mise en vibration sont formés par un actuateur piézo-électrique. Un tel dispositif d'injection commandé électroniquement permet un contrôle très précis de la taille des gouttes injectées et qui plus est totalement indépendant du débit et de la durée d'injection. Les caractéristiques et avantages de la présente invention sont présentées de manière plus détaillée ci-après en décrivant un mode de réalisation de l'invention, à titre d'exemple non limitatif, la description faisant référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente une vue d'ensemble du dispositif d'injection selon l'invention les figures 2A et 2B sont des vues en coupe longitudinale du dispositif d'injection de la figure 1 précisant son fonctionnement la figure 3 est une vue en coupe partielle d'un conduit d'admission d'un moteur à combustion interne équipé d'un dispositif d'injection de carburant selon l'invention. Conformément aux dessins annexés, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. De plus, pour faciliter la lecture de ces dessins, les mêmes pièces portent les mêmes références d'une figure à 1 'autre. En se reportant à la figure 3, on voit en coupe transversale un conduit d'admission 12 ménagé à travers la culasse 16 d'un moteur a combustion interne du type multicylindre à allumage commandé. Ce conduit 12 débouche par un orifice d'admission sur la face inférieure de la culasse 16 définissant le toit d'une chambre de combustion 15. Cet orifice d'admission sert classiquement de siège à une soupape à tige 13 montée coulissante dans un guide logé dans la culasse 16. L'ouverture de la soupape 13 est commandée des moyens appropries non figurés, tels qu'un arbre à cames. L'alimentation en carburant du moteur est du type multipoint à commande électronique par lequel chaque chambre de combustion 15 est alimentée en carburant par au moins un injecteur de carburant 1. L'injecteur 1 s'étend, selon le mode particulier de réalisation représenté, directement dans l'un des conduits d'admission desservant la chambre de combustion 15, en l'occurrence le conduit 12. L'injecteur 1 est disposé de façon que sa buse d'éjection 8 soit dirigée vers la tête de la soupape 13 afin de diriger le jet de carburant l1 directement dans la chambre de combustion 15 à travers l'orifice d'admission, lors de l'ouverture de la soupape 13. Le corps de l'injecteur 1 est fixé dans la culasse 16 par son extrémité supérieure, laquelle est par ailleurs connectée à une conduite 2 d'amenée du carburant. En se reportant à la figure 1, on a détaillé le corps de l'injecteur 1 objet de la présente invention. Le corps de l'injecteur comprend, dans sa partie amont dans le sens d'écoulement du carburant, un réservoir tampon 4 possédant une membrane 5 de mise à pression. Ce réservoir 4 est alimenté par une conduite 2 d'amenée du carburant sous une pression adaptée. Entre la conduite 2 et le réservoir 4 est interposée une vanne 3 commandée électriquement dont la fonction est de contrôler le niveau de remplissage du réservoir 4. Le réservoir 4 communique avec une chambre 7 dont les parois élastiquement déformables coopèrent avec des moyens de mise en pression cyclique telle qu'une plaquette en matériau piézoélectrique 6. La chambre 7 est prolongée par une buse 8 formée par une pluralité de canaux d'amenée 9 du carburant de sections évolutives, disposés en faisceau. Cette buse 8 est solidaire de la chambre 7 de façon que les déformations cycliques de cette dernière sous l'action des moyens de mise en pression, entraîne la vibration de la buse 8 et l'éjection du carburant. Les canaux 9 débouchent à l'extrémité avale 14 de la buse 8 par des orifices adaptés formant des nez d'injection 10 à travers lesquels est éjecté le carburant sous la forme d'un jet 11 de gouttelettes de tailles adaptées. Ces canaux ont des formes et sont réalisés dans des matériaux adaptés pour permettre la création de forces capillaires suffisantes nécessaires à leur remplissage en carburant depuis la chambre 7. Conformément aux figures 2a et 2b, le fonctionnement de l'injecteur 1 qui vient d'être décrit est le suivant. La vanne 3 étant normalement maintenue fermée, la pression du carburant remplissant le réservoir 4 suit la pression régnant dans le conduit d'admission 12 grâce à la membrane de mise à pression 5. L'équilibre de pression régnant entre l'intérieur du corps de l'injecteur 1 et l'extérieur de ce dernier conjugué à la forme adaptée des conduits 9, permettent d'assurer par capillarité le remplissage des conduits 9 en carburant depuis la chambre 7 et le réservoir 4 au fur et à mesure de l'éjection du carburant, tout en retenant le carburant à l'intérieur des canaux 9 en l'absence de vibration de ces derniers par la tension de surface agissant au droit des orifices 10. Le réservoir est maintenu rempli grâce au pilotage de la vanne 3. Lorsque la quantité de carburant dans le réservoir 4 passe en dessous d'un seuil donné, détecté par un capteur non figuré ici, la vanne 3 est alors ouverte jusqu'au remplissage du réservoir 4 au seuil requis, puis la vanne 3 est à nouveau fermée. Les variations de volume dans le réservoir 4 dues aux quantités de carburant éjectées à travers les orifices 10 et aux quantités de carburant traversant la vanne 3 sont suffisamment faibles comparées au volume total du réservoir 4 pour que les variations de pression puissent être compensées par la membrane 5 de mise à pression. Ainsi, conformément à l'invention, la pression du circuit d'alimentation peut être relativement faible et la valve de conception simplifiée, notamment avoir un temps de réponse beaucoup plus long que celui d'un injecteur classique. La forme de la chambre 7, comprise entre les points A et D, et la nature des matériaux utilisés par la réalisation de ses parois, sont donc adaptées de façon à générer sous l'action des moyens de mise en pression cyclique 6 une oscillation de la buse 8 dont l'amplitude est maximale au niveau des orifices 10 des canaux 9. Pour ce faire, la plaquette piézo-électrique 6 est solidarise à la paroi de la chambre 7 par collage et ses électrodes sont formées par deux faces parallèles, l'une La plaquette piézo-électrique 6 est polarisée dans une direction perpendiculaire aux électrodes, de sorte que lorsque l'on applique une tension entre ces électrodes, par effet de striction la plaquette piézo-électrique 6 s'étire dans ses deux directions planaires, l'état de contrainte sur les deux faces étant différents ceci a pour effet de créer une flexion de la plaquette qui se traduit localement par un changement de courbure de la paroi de la chambre 7. La flexion de la paroi de la chambre 7 entraîne en flexion la partie 8 du corps 1, à savoir la buse d'injection, avec un maximum de déplacement à son extrémité 14 au niveau des orifices 10. Le déplacement généré à l'extrémité de la buse 14 permet d'expulser à travers chaque orifice 10 une micro-quantité de liquide qui donne naissance à une goutte 11 éjectée avec une certaine vitesse. Pour chaque cycle de tension électrique appliquée sur la plaquette piézo-électrique 6, celle-ci passe par deux états de déformation en flexion symétriques ce qui amène l'extrémité de la buse 14 à osciller entre deux positions symétriques E et F liées à une amplitude d'oscillation donnée. A chaque passage par l'un de ces points E ou F d'amplitude maximale se produit l'éjection des gouttes de carburant. Pour un cycle de tension on éjecte ainsi deux gouttes de carburant par orifice. En faisant varier la valeur de la tension électrique appliquée entre les électrodes de la plaquette 6 on peut obtenir un effet de flexion du corps 7 plus ou moins important et régler ainsi la valeur de l'amplitude de l'oscillation à l'extrémité 14 de la buse. Ceci permet de faire varier la quantité de liquide éjecté par chaque orifice au cours du cycle d'oscillation et de faire ainsi varier le diamètre des gouttes éjectées. Chaque cycle de vibration produisant l'éjection d'un nombre déterminé de gouttes de carburant, on peut donc doser très précisément la quantité de carburant injecté en commandant électroniquement par le système de contrôle moteur la source de puissance électrique pour obtenir le nombre de cycles souhaités. Entre les deux états de flexion de la chambre 7 qui provoque l'éjection du carburant hors des canaux 9, l'action des forces capillaires à l'intérieur des canaux 9 permet d'assurer leur remplissage en carburant de façon constante depuis le réservoir 4 jusqu'aux orifices 10. Ainsi, conformément à l'invention, l'éjection des gouttes à travers les orifices 10 à l'extrémité 14 de la buse 8 se fait par la seule action du mouvement oscillatoire en flexion de cette dernière. Mouvement oscillatoire en flexion, qui provoque d'une part une surpression locale dans le liquide au niveau de la buse et d'autre part une mise en mouvement du même liquide confiné dans la buse, les deux effets contribuants simultanément à la formation et à l'éjection des gouttes. Ainsi, c'est la vibration de l'extrémité 14 de la buse 8 qui fournit l'énergie cinétique nécessaire à l'éjection de la goutte. La forme de l'injecteur 1 et plus particulièrement de la buse 8, est donc adaptée pour obtenir une amplification naturelle du mouvement . La structure en faisceau des canaux 9 répond parfaitement à cet objectif. De même, il est important que la structure retenue puisse atteindre des fréquences de résonance élevée permettant l'injection d'un nombre élevé de gouttes de carburant par seconde. L'injecteur selon l'invention fonctionne donc sans soupape puisque les canaux 9 débouchent librement à l'atmosphère, la rétention du liquide dans la buse 8 s'opérant simplement grâce à la tension superficielle du liquide et l'action des forces capillaires. Il se forme ainsi naturellement un ménisque liquide sur chaque orifice 10 de la buse 8, ménisque qui empêche l'écoulement de fluide tant que la différence de pression entre le liquide contenu dans la buse et l'atmosphère environnant ne dépasse pas une valeur donnée. Cette différence de pression suffisamment faible dans le carburant entre les orifices 10 de la buse 8 et le réservoir tampon 4 situé en amont dans le corps de l'injecteur 1 est simplement obtenu grâce à la membrane 5 de mise à pression. Pour engendrer les déformations dans le corps de l'injecteur 1 ou au voisinage de la buse 8, on peut utiliser des matériaux piézo-électriques ou bien encore magnétostrictifs. Il suffit que ces matériaux se déforment sous l'influence d'un champ électrique ou magnétique et permettent donc l'application de contraintes générant les déformations voulues. A titre d'exemple, le dispositif d'injection comprend un corps 1 qui dans sa partie supportant la plaquette piézo-électrique 6 mesure 1 millimètre au total et environ 1 centimètre dans sa largeur et sa longueur, la buse a une longueur voisine de 20 millimètres et une épaisseur de l'ordre de 0,2 millimètre à son extrémité où est située une rangée d'orifices circulaires 10 de 30 microns de diamètre. On obtient alors l'éjection d'un double faisceau de gouttes avec des fréquences d'excitation allant de 40 kH à 400 kH, et ce pour une tension alternative appliquée de l'ordre de 10 Volts crête. Le diamètre des gouttes est fonction de l'amplitude de la tension appliquée et de la fréquence de fonctionnement. La vitesse des gouttes selon le point de fonctionnement choisi varie de 5 à 15 mètres par seconde. Le temps de réponse du dispositif pour une mise en oscillation de la buse et l'éjection simultanée de gouttes de carburant est d'environ 10 microsecondes. Pour assurer un débit en carburant compatible avec le fonctionnement d'un moteur, un dispositif fonctionnant à 250 kH comporte 170 orifices 10 de 30 microns de diamètre à l'extrémité de la buse. L'injecteur 1 selon l'invention indépendamment des avantages qu'il présente en matière de dosage et de vaporisation du carburant, grace notamment à la calibration précise qu'il permet de la taille des gouttelettes, est par ailleurs particulièrement adapté pour opérer l'injection du carburant lors de la levée de la soupape d'admission 13 et injecter ainsi le carburant directement dans la chambre de combustion 15. Effet, lors de l'ouverture de la soupape d'admission 13, le flux d'air d'admission remplissant la chambre de combustion 15 a une vitesse d'environ 70 mètres par seconde au voisinage du col de la soupape. Ce flux assiste l'éjection de carburant et entraîne les gouttes qui sont éjectées en faisceau des orifices 10 pour les propulser directement dans la chambre 15 à travers l'ouverture de la soupape. La différence entre la vitesse d'éjection des gouttes, comprise entre 5 et 10 mètres par secondes et celle du flux d'air, provoque un phénomène d'abrasion des gouttes de carburant et contribue à leur évaporation. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. Ainsi le corps 1 de l'injecteur peut ainsi être disposé plus près du col de la soupape 13 ou plus en amont dans le conduit d'admission 12, voir l'extérieur du conduit d'admission dans un amenagement prévu dans la culasse, l'extrémité de la buse 8 débouchant dans le conduit d'admission 12 en un point situé soit, au voisinage du col de la soupape soit, plus en amont. Ainsi, selon différents modes de réalisation, les orifices d'injection peuvent être de forme circulaire, carré ou de toute autre forme géométrique, les dimensions transversales des orifices pouvant être réduites à quelques microns, par exemple de l t ordre de dix à trente microns. La section des orifices permet de calibrer la taille des gouttes formées, le calibrage de la taille des gouttes pouvant ensuite être modifiée en faisant varier l'amplitude d'oscillation de la buse. REVENDICATIONS [1] Dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne comprenant un injecteur (1) relié à un circuit (2) d'alimentation en carburant sous une pression adaptée, ledit injecteur (1) comportant une buse d'injection (8) à l'extrémité (14) de laquelle est ménagé au moins un orifice d'injection de carburant (10), caractérisé en ce que ledit injecteur (1) coopère avec des moyens de mise en vibration cyclique (6) pilotés par le système électronique de contrôle moteur de façon à provoquer des oscillations mécaniques en flexion de la buse d'injection (8), ladite buse d'injection (8) étant adaptée pour éjecter une quantité de carburant prédéterminée à chacune de ses oscillations. [2] Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite buse d'injection (8) est formée par une pluralité de canaux (9) de dimensions adaptées, réunis en faisceau. [3] Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 2, caractérise en ce que lesdits canaux sont adaptés pour être alimentés en carburant par capillarité. [4] Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits canaux (9) présentent des orifices d'injection (10) adaptée pour éjecter le carburant sous forme de gouttelettes de tailles données. [5] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit injecteur (1) présente une partie élastiquement déformable (7) qui coopère avec lesdits moyens de mise en vibration cyclique (6) pilotés par le système électronique de contrôle moteur, ladite buse d'injection (8) étant solidaire de cette partie déformable (7). [6] Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite partie élastiquement déformable est formée par une chambre (7) s'étendant dans le prolongement d'un réservoir de carburant (4) auquel est connecté le circuit (2) d'alimentation en carburant par l'intermédiaire d'une vanne pilotée (3) dont l'ouverture est commandée en fonction du niveau de remplissage dudit réservoir (4). [73 Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 6, caractérisé en ce que caractérisé en ce que ledit réservoir de carburant (4) coopère avec des moyens de régulation permettant d'ajuster la pression régnant dans ledit réservoir (4) à la pression régnant dans le circuit d'admission d'air (12) du moteur. [8) Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de mise en vibration sont formés par un actuateur piézoélectrique.