Brevet FR2779484A1 — publié le 19991210

L'invention concerne un injecteur pour systèmes d'injection de carburant, comprenant un corps d'injec- teur, dans lequel sont disposés plusieurs actionneurs piézoélectriques placés les uns derrière les autres en direction axiale, et un corps de soupape relié au corps d'injecteur et dans lequel est agencé coulissant un dis- positif de fermeture de soupape, injecteur dans lequel, en cas d'application d'une tension de commande aux ac- tionneurs piézoélectriques, un poussoir du dispositif de fermeture de soupape se déplace par rapport au corps de soupape en vue du démasquage d'orifices d'injection de carburant. Par le document DE 195 00 706 Ai, on connait un injecteur, servant à l'alimentation en carburant de mo- teurs à combustion interne, qui possède un dispositif de commande piézoélectrique agissant sur une aiguille de poussoir ou de soupape d'un dispositif de fermeture de soupape. Cet injecteur comprend un dispositif hydraulique amplificateur de déplacement pour transformer le trajet de déplacement du dispositif de commande piézoélectrique en une plus grande course de l'aiguille. Le dispositif hydraulique est nécessaire pour amplifier la faible dila- tation - produite lorsqu'une tension de gonflement est appliquée aux actionneurs piézoélectriques - dans une me- sure suffisante pour que le poussoir puisse démasquer des orifices d'injection. Cela signifie cependant que l'in- jecteur doit avoir une construction dispendieuse. Le document DE 196 16 695 C1 décrit un procédé de fabrication d'un actionneur piézoélectrique monoli- thique, de type multicouche, qui propose de fabriquer cet actionneur d'une céramique PZT (au zirconate-titanate de plomb) stoechiométrique à faible dosage de groupe de dé- part, présentant une meilleure solidité mécanique et de bonnes propriétés piézoélectriques. Ce procédé de fabri- cation est censé conduire, indépendamment d'un dopage de groupe d'arrivée, à des grosseurs de grain optimales dans la céramique et à des propriétés piézoélectriques opti- males. La présente invention a donc pour but de créer un injecteur, du type mentionné au début, offrant, sans la nécessité de prévoir des aides hydrauliques ou méca- niques de surmultiplication, un trajet de déplacement suffisant pour démasquer des orifices d'injection, avec la possibilité supplémentaire de varier aussi, en cas de besoin, la quantité injectée par la variation du trajet d'ouverture des trous d'injection. Conformément à l'invention, on obtient ce ré- sultat par le fait que, comme matériaux pour les action- neurs piézoélectriques, on a prévu des oxydes élémen- taires de plomb, zirconium, étain et titane, qui sont mo- difiés au niobium ou au lanthane. Il s'est révélé, de manière surprenante, que les matériaux utilisés pour la fabrication de commuta- teurs de phase ("phase switcher") conviennent très bien pour des injecteurs. C'est ainsi que ces matériaux pré- sentent, par exemple, dans la plage de charge concernée, une dilatation à peu près quadruple, ce qui veut dire qu'on peut obtenir un plus grand déplacement du poussoir et/ou une plus faible hauteur d'encombrement de l'injec- teur. Surtout, il n'est plus nécessaire au besoin de faire appel à des aides mécaniques ou hydrauliques de surmultiplication pour amplifier le trajet de déplace- ment. Un autre avantage est que les matériaux pour commutateurs de phase sont capables de transmettre des efforts plus grands, de sorte que les actionneurs piézo- électriques peuvent en outre avoir de plus petites dimen- sions. Comme les actionneurs piézoélectriques sont géné- ralement réalisés sous la forme de disques, on peut ainsi obtenir des disques dont le diamètre est réduit en consé- quence. Selon un développement très avantageux de l'in- vention, les actionneurs piézoéelectriques, pour la fa- brication desquels ont été prévus des matériaux pour com- mutateurs de phase, sont applicables à des dispositifs de fermeture présentant différentes sections d'ouverture des orifices d'injection et/ou des buses dites à registre, en particulier des buses à registre dans lesquelles sont prévues au moins deux rangées d'orifices d'injection si- tués axialement les uns derrière les autres. Les inventeurs ont en effet constaté que les matériaux pour commutateurs de phase présentent pratique- ment, à l'application d'une tension de gonflement - à la différence des céramiques piézoélectriques normales avec leur comportement linéaire -, une dilatation brusque. En d'autres termes, jusqu'à une tension de gonflement déter- minée, les matériaux pour commutateurs de phase ne ré- agissent pas et c'est seulement après le dépassement d'une tension déterminée que se produit, à la façon d'une fonction de saut, une dilatation volumique, à la transi- tion de la phase antiferro-électrique à la phase ferro- électrique. La dilatation ainsi obtenue n'augmente plus que faiblement lorsque la tension est élevée davantage. Cette propriété est exploitée, dans une utilisation de plusieurs plaques ou disques d'actionneurs piézoélec- triques pour la fabrication desquels ont été employés des matériaux pour commutateurs de phase, plaques ou disques qui sont placés axialement les uns derrière les autres, de manière que par la variation de l'épaisseur des diffé- rentes couches ou disques piézoélectriques, on obtienne un comportement de dilatation qui dépend de la tension dans un sens désiré, prédéterminé. En cas d'application à une buse à registre, cela signifie concrètement que des orifices déterminés du registre peuvent être ouverts et fermés de façon ciblée par une tension déterminée. En cas d'utilisation de disques piézoélectriques ayant des épaisseurs différentes, les disques présentent leur plus forte dilatation, suivant l'intensité du champ électrique appliqué et suivant l'épaisseur, toujours à la même intensité de champ, c'est-à-dire à des tensions appliquées différentes, de sorte qu'on peut provoquer successivement la dilatation des disques de différentes épaisseurs. Autrement dit, dans une plage de tension déterminée, seulement la première rangée de trous d'injection d'une buse à registre, par exemple, est ou- verte, tandis que, dans une deuxième plage de tension, une deuxième rangée de trous est ouverte et que, par exemple, dans une troisième plage de tension, une troi- sième rangée de trous est ouverte. Les matériaux pour commutateurs de phase permettent aussi de commander de façon analogue l'ouverture et la fermeture de trous d'in- jection ayant différentes sections d'ouverture en vue de la variation de la quantité injectée. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente, partiellement en coupe axiale, un injecteur comportant un dispositif de fermeture; et - la figure 2 est un diagramme montrant la di- latation d'actionneurs piézoélectriques. L'injecteur de l'exemple représenté est fonda- mentalement de type connu (voir, par exemple, le document DE 195 00 706 A1), raison pour laquelle on décrira ci- après seulement et on a seulement représenté en coupe, en vue de la compréhension de l'invention, la partie avant et une zone de la partie arrière de l'injecteur, dans lesquelles sont situées respectivement le dispositif de fermeture et les actionneurs piézoélectriques. Un corps d'injecteur 1 contient, axialement l'un derrière l'autre, plusieurs actionneurs piézoélectriques 2 en matériaux pour commutateurs de phase. Les actionneurs sont reliés de façon non représentée à un poussoir 3 d'un dispositif de fermeture de soupape 4. Les actionneurs piézoélectriques 2 ont la forme de disques qui peuvent avoir différentes épaisseurs en vue de l'application de différentes tensions d'activation. Le poussoir 3 est pourvu, à son extrémité avant, d'un élément de soupape 5 formant un siège de sou- pape en combinaison avec un corps de soupape 6 entourant le poussoir 3. Le siège de soupape contient, axialement l'une derrière l'autre, au moins deux rangées d'orifices d'injection 7. Lorsqu'on applique des tensions de gonflement aux disques piézoélectriques 2, pouvant être réalisés comme des actionneurs empilés ou des actionneurs multi- couches, des dilatations volumiques sont produites, ce qui entraîne un déplacement du poussoir 3, de manière que les orifices d'injection 7 soient démasqués, si bien que du carburant, contenu sous haute pression dans un espace 8 en forme de fente entre le corps de soupape 6 et le poussoir 3, peut être injecté dans une chambre de combus- tion non représentée. La dilatation des actionneurs en matériaux pour commutateurs de phase, est produite par la transition entre un état antiferro-électrique et un état ferro-électrique. La base chimique de céramique de commutation de phase, est constituée, comme pour les actionneurs piézo- électriques conventionnels, par le zirconate-titanate de plomb (PZT). La modification de ce matériau par les élé- ments étain (Sn) et niobium (Nb) ou lanthane (La), permet de stabiliser des phases antiferro-électriques à l'inté- rieur de gammes de températures techniquement d'intérêt. Un champ électrique permet de faire passer une phase an- tiferro-électrique à une phase ferro-électrique. Cette transition de phase est liée à une dilatation volumique et forme, dans le cas présent, la base de l'application à des injecteurs. Suivant les éléments de substitution par- ticipants, on désigne les céramiques de commutation de phase par PLZST ou PNZST. La figure 2 représente un diagramme simplifié illustrant le comportement en dilatation d'actionneurs piézoélectriques normaux et d'actionneurs piézoélec- triques en matériaux pour commutateurs de phase. La dila- tation est indiquée en ordonnée et la tension électrique appliquée est indiquée en abscisse. Le comportement - quant à l'amplitude de la variation dimensionnelle pro- duite - d'un actionneur piézoélectrique de type standard est représenté par la ligne discontinue 9 et celui d'un actionneur piézoélectrique en matériaux pour commutateurs de phase est représenté par la ligne continue 10. Ainsi qu'il ressort du diagramme, dans le cas d'un actionneur piézélectrique standard normal, la dilatation commence pratiquement, suivant une allure linéaire, dès l'applica- tion d'une tension de gonflement, se poursuit jusqu'à un point de dilatation maximale 11 à 4000 V/mm, puis re- tourne suivant une courbe d'hystérésis à 0. Par contre, le comportement quant à la varia- tion dimensionnelle d'un actionneur piézoélectrique en matériaux pour commutateurs de phase, est très différent en ce sens qu'un tel actionneur ne présente aucune dila- tation jusqu'à une tension de gonflement d'environ 3400 volts. Dans la plage de tension aux environs 3400 V/mm, se produit une fonction de saut avec une forte élévation de la dilatation, jusqu'à un point de dilatation 12 ob- tenu avec une tension de gonflement de 4000 V/mm. Suivant une courbe d'hystérésis, la dilatation retourne ensuite de nouveau à 0 en cas d'éloignement de la tension de gon- flement. La courbe représentée sur la figure 2 se rap- porte à la pression normale. Avec application d'une charge par compression, la dilatation est plus forte d'un facteur de 4. En cas de besoin, il est cependant possible aussi, bien entendu, malgré la dilatation nettement plus forte d'actionneurs piézoélectriques en matériaux pour commutateurs de phase, de prévoir en plus une amplifica- tion mécanique ou hydraulique pour le déplacement du poussoir. De même, l'invention est naturellement appli- cable aussi à des aiguilles d'injection ou à des pous- soirs qui s'ouvrent vers l'intérieur. Dans ce cas, il suffit de prévoir un dispositif pour inverser la direc- tion du mouvement engendré par la dilatation des action- neurs piézoélectriques en matériaux pour commutateurs de phase. REVENDICATIONS 1. Injecteur pour systèmes d'injection de car- burant, comprenant un corps d'injecteur, dans lequel sont disposés plusieurs actionneurs piézoélectriques placés les uns derrière les autres en direction axiale, et un corps de soupape relié au corps d'injecteur et dans le- quel est agencé coulissant un dispositif de fermeture de soupape, injecteur dans lequel, en cas d'application d'une tension de commande aux actionneurs piézoélec- triques, un poussoir du dispositif de fermeture de sou- pape se déplace par rapport au corps de soupape en vue du démasquage d'orifices d'injection de carburant, caracté- risé en ce que, comme matériaux pour les actionneurs pié- zoélectriques (2), on a prévu des oxydes élémentaires de plomb, zirconium, étain et titane, qui sont modifiés au niobium ou au lanthane. 2. Injecteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les actionneurs piézoélectriques (2) modi- fiés sont prévus pour un dispositif de fermeture de sou- pape (4) dont les orifices d'injection (7) ont des sec- tions d'ouverture différentes. 3. Injecteur selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que les actionneurs piézoélectriques (2) modifiés sont prévus en combinaison avec un dispositif de fermeture (4) qui présente au moins deux rangées d'ori- fices d'injection (7) situés axialement les uns derrière les autres. 4. Injecteur selon la revendication 2 ou 3, ca- ractérisé en ce que les actionneurs piézoélectriques mo- difiés sont réalisés sous la forme de disques (2) ayant des épaisseurs différentes.