Brevet FR2775319A1 — publié le 19990827

DISPOSITIF D'INJECTION DIRECTE DE COMBUSTIBLE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE La présente invention concerne les dispositifs d'injecté tion directe de carburant dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne. Elle trouve une application particulièrement importante dans les moteurs à allumage par étincelle, mais elle est également applicable au cas d'un moteur à allumage par compression. Classiquement, les dispositifs d'injection directe de carburant comprennent une pompe à basse pression entraînée par un moteur électrique suivie d une pompe à haute pression entraînée par l'arbre à cames du moteur à combustion interne. La pompe HP porte le carburant à la pression d'injection et alimente la rampe à laquelle sont reliés les injecteurs. La pompe basse pression est prévue pour fournir un débit toujours au moins égal à celui qui est nécessaire au moteur et un régulateur basse pression retourne au réservoir l'excédent de débit. Ce dispositif présente de nombreux inconvénients. En particulier, le débit fourni par la pompe HP dépend de la vitesse de rotation du moteur à combustion interne et l'injection s'effectue sous pression réduite lorsque le moteur tourne au démarrage. Une fraction notable du débit fourni par la pompe basse pression est ramenée au réservoir dans la plupart des conditions de fonctionnement, de sorte que la pompe absorbe de la puissance en pure perte. La présente invention vise notamment à fournir un dispositif d'injection répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il élimine l'influence de la vitesse de rotation du moteur et permet l'injection de carburant sous haute pression dans toutes les conditions de fonctionnement et réduit la consommation d'énergie électrique. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif d'injection directe de carburant comprenant une pompe haute pression puisant directement du carburant dans un réservoir et fournissant un débit qui est une fonction monotone croissante de la vitesse d'un moteur électrique d'entraînement de la pompe et comprenant une rampe d'alimentation des injecteurs reliée au refoulement de la pompe et munie d'un capteur de pression fournissant un signal représentatif de la pression à un organe de calcul qui commande la vitesse du moteur électrique d'entraînement. La pompe aura des caractéristiques qui se rapprochent de celles d'une pompe volumétrique. On utilisera en général une pompe à engrenages externes ou une pompe à piston, bien qu'une pompe centrifuge soit également acceptable. Le moteur électrique d'entraînement de la pompe doit avoir une faible inertie. On utilisera généralement pour cette raison un moteur à courant continu sans balais. En particulier on peut utiliser un moteur comportant un rotor non bobiné, à aimants permanents. L'organe de calcul, qui peut être un calculateur recevant tous les paramètres représentatifs du fonctionnement du moteur à combustion interne et qui gère le fonctionnement de ce dernier, est prévu pour asservir la vitesse de rotation du moteur d'entraînement de la pompe de façon à donner à la pression dans la rampe une valeur fixée par une loi qui dépend de la stratégie de commande moteur. Il peut être envisagé le maintien de la pression à une valeur constante. Toutefois, une telle loi ne permet pas d'obtenir dans tous les cas une relation linéaire entre la quantité de carburant injecté dans une chambre et la durée d'injection sur toute la dynamique de fonctionnement requise pour un véhicule automobile. Il est alors préférable de donner à la pression dans la rampe une valeur de consigne qui est une fonction croissante de la quantité de combustible requise à chaque injection. La loi sera de toutes façons choisie de façon que le débit fourni par la pompe à haute pression ne soit que très peu supérieur au débit requis, l'excédent de débit (qui ne dépassera pas quelques t) étant ramené au réservoir par un orifice calibré qui permet au surplus de s'affranchir de la dispersion des caractéristiques de la pompe due aux tolérances de fabrication. Grâce à cette pratique, il est possible de commander la pression tout en fournissant le débit nécessaire aux injecteurs alors que l'on ne dispose que d'un seul paramètre de commande continue, constitué par la vitesse du moteur d entraînement de la pompe. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la figure unique qui l'accompagne et qui est un schéma du dispositif. Le dispositif représenté schématiquement sur la figure est notamment utilisable sur un moteur à combustion interne et à allumage par étincelle à quatre cylindres munis chacun d'un injecteur 10 à commande électro-magnétique par un calculateur de commande moteur 12 muni d'entrées 14 qui reçoivent des signaux représentatifs des conditions de fonctionnement du moteur, tels que la position de la pédale d'accélérateur, la vitesse, la température, la position du papillon etc... Les injecteurs 10 sont alimentés par une rampe 16, généralement métallique du fait que la pression d'injection est de quelques dizaines de bars, généralement comprise entre 20 et 120 bars. La rampe 16 est alimentée par une pompe à haute pression 18 par l'intermédiaire d'un filtre 20 destiné à arrêter les particules qui pourraient colmater les injecteurs. La disposition décrite jusqu'ici est classique. Mais le dispositif ne comporte pas de pompe basse pression et la pompe haute pression 18 puise directement dans le réservoir de carburant 22. Cette pompe est d'un type fournissant un débit qui n'est pratiquement fonction que de sa vitesse d'entraînement. Cela conduira généralement à utiliser une pompe volumétrique telle qu'une pompe à engrenages externes ou une pompe à piston. Toutefois des pompes qui ne sont pas strictement volumétriques, telles que des pompes centrifuges, seront souvent utilisables. Il est toutefois nécessaire que le débit dépende essentiellement de la vitesse. La pompe peut être immergée dans le réservoir ou être montée sur le bloc moteur, auquel cas elle doit être auto-amorçante et être munie d'un clapet anti-retour. La pompe 18 est entraînée par un moteur électrique 24 de faible inertie, de façon à en faciliter la régulation. Dans la pratique, on utilisera généralement un moteur à commutation électronique, donc sans balais. La pompe pourra avoir une cylindrée faible, par exemple de 0,16 cm3 dans le cas d'un moteur de 2 litres de cylindrée, pour lequel le débit moyen à fournir varie de 0,9 à 60 l/h environ. Un orifice calibré de faible section 26 relie le refoulement de la pompe 18 au réservoir. Il pourra être remplacé soit par un régulateur mécanique, soit par une électro-vanne. Il a pour fonction d'augmenter les tolérances de fabrication de la pompe en autorisant un débit de fuite vers le réservoir. Enfin une soupape de sûreté 28 protège le circuit de carburant contre des surpressions éventuelles. Le dispositif comporte enfin un capteur 30 de la pression qui règne dans la rampe 16. Ce capteur fournit un signal représentatif de la pression à un organe de calcul 12 qui, dans le cas illustré sur la figure, est incorporé au calculateur de commande du moteur. Le capteur 30 peut notamment être de type piézo-résistif, ayant une constante de temps telle qu'il fournit un signal de sortie représentatif de la valeur moyenne de la pression, qui subit des variations rapides au cours de l'injection. La pompe 18 est à débit continu, alors que les injections interviennent pendant des intervalles de temps séparés. En conséquence, la pression qui règne dans la rampe 16 varie cycliquement, à une fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur à combustion interne. On peut relever que l'élasticité des composants du circuit compense dans une certaine mesure l'incompressibilité du carburant et réduit les variations de pression au cours de chaque injection. De plus, il est possible d'atténuer les variations de pression en donnant une valeur réglable au volume de canalisation compris entre la pompe et les injecteurs. Ce résultat peut par exemple être obtenu en reliant la rampe 16 à un cylindre fermé par un piston dont la position dans le cylindre fixe le volume additionnel. Ce volume peut alors être augmenté par déplacement du piston sous l'action d'un moteur commandé par l'organe de calcul 12. Une augmentation de volume en fonction croissante de la quantité de combustible injecté à chaque cycle permet d'atténuer les variations rapides de pression. Il est également possible de disposer d'un second paramètre de fonctionnement en constituant l'orifice calibré 26 par un diaphragme dont la section de passage est ajustable sous la commande de l'organe de calcul 12, plutôt que par un diaphragme à section de passage fixe. Dans l'organe de calcul 12 est mémorisée une loi de commande de la vitesse de la pompe 18, et donc du débit, en fonction de la pression qui règne dans la rampe et d'autres paramètres de fonctionnement du moteur. En première approximation, cette loi de commande tend à maintenir la pression dans la rampe 16 à une valeur sensiblement constante. En général, la boucle de régulation de la vitesse du moteur électrique 24 pourra être du type proportionnel-dérivé, de façon à répondre rapidement aux variations des conditions de fonctionnement, ou même intégral-proportionnel-dérivé. Lorsque le dispositif est prévu pour fonctionner à pression variable, la pression d'injection choisie pourra être une fonction du débit à fournir aux injecteurs. La pression d'injection augmentera alors depuis un point de fonctionnement à faible vitesse et faible charge (notamment au ralenti)jusquau point de fonctionnement à pleine charge et vitesse maximale. Il sera également possible de commander la pression dans la rampe en fonction croissante de la pression moyenne dans des chambres de combustion, fournie par un capteur non représenté. La loi de variation peut être mémorisée dans le calculateur de commande moteur REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection directe de carburant dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne, comprenant une pompe haute pression (18) puisant directement du carburant dans un réservoir et fournissant un débit qui est une fonction monotone croissante de la vitesse d'un moteur électrique (24) d'entraînement de la pompe et comprend une rampe d'alimentation des injecteurs reliée au refoulement de la pompe et munie d'un capteur de pression (30) fournissant un signal représentatif de la pression à un organe de calcul (12) qui commande la vitesse du moteur électrique d'entraînement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe est de type volumétrique. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur électrique est un moteur à courant continu sans balais. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'organe de calcul (12) est prévu pour asservir la pression dans la rampe à une valeur fixée par le calculateur de commande moteur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'asservissement est du type proportionnel-dérivé. 6. Dispositif selon lune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par un orifice de retour au réservoir de l'excédent de débit de la pompe. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'orifice est calibré et à section de passage fixe.