Brevet FR2792369A1 — publié le 20001020

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 permettant d'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 électro- injecteurs. 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 les20 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. La Demanderesse a développé un nouveau type de dispositif d'injection de carburant permettant de résoudre l'ensemble de ces problèmes, le dispositif étant 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. Ce dispositif, décrit dans la demande de brevet n FR97/05129, 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 orifice20 d'injection de carburant et cet injecteur coopérant 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. La présente invention a pour objet de perfectionner ce nouveau type de dispositif d'injection en proposant une nouvelle architecture de corps d'injecteur plus simple à réaliser, en particulier en ce qu'il n'est plus nécessaire de disposer d'une buse d'injection formée par une pluralité de canaux de dimensions adaptées, réunis en faisceau. Le dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne selon l'invention comprend un injecteur relié à un circuit de carburant sous une pression adaptée. Selon l'invention, le dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne est caractérisé en ce que l'injecteur comporte une buse alimentée en carburant et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection de carburant, des moyens de mise en vibration cyclique de la buse ces moyens étant pilotés en durée et en intensité par le système électronique de contrôle moteur, et des moyens obturateurs rappelés élastiquement contre l'orifice d'injection. La mise en vibration de la buse et des moyens obturateurs qui lui sont solidaires par les moyens vibratoires assurant l'éjection d'une quantité de carburant prédéterminée. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, l'extrémité de la buse o0 est ménagée l'orifice d'injection est prolongée par une collerette conformée pour vibrer avec de fortes amplitudes. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les moyens obturateurs sont formés par une tige dont une extrémité évasée forme clapet, cette tige étant montée mobile axialement à l'intérieur de la buse et étant solidarisée élastiquement avec cette même buse. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, la tige est munie en son extrémité opposée à l'orifice d'une masse prédéterminée. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, la tige est solidarisée au corps de la buse par l'intermédiaire d'une coupelle élastique. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les moyens de mise en vibration cyclique de la buse sont formés par un transducteur. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, le transducteur comporte des céramiques piézo-électriques. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, le transducteur comporte un matériau magnétostrictif. 30 On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de différents modes de réalisation de l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une vue d'ensemble, en coupe axiale, du dispositif d'injection selon l'invention; les figures 2 à 5 explicitent schématiquement le principe de fonctionnement du dispositif d'injection selon l'invention;15 la figure 6 est une vue en coupe axiale détaillant l'extrémité de l'injecteur représenté à la figure 1; la figure 7 est une vue en coupe partielle d'une culasse de moteur à combustion interne équipée d'un dispositif d'injection de carburant selon l'invention. la figure 8 est une vue schématique du circuit de commande du transducteur représenté à la figure 1. 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 l'autre. En se reportant à la figure 1, on a détaillé le corps de l'injecteur objet de la présente invention. Le corps de l'injecteur comporte essentiellement trois organes distincts coopérant les uns avec les autres. Le premier organe, disposé dans la partie supérieure de l'injecteur, se compose de moyens aptes à générer des vibrations dans un mode longitudinal à des fréquences ultrasonores tel qu'un transducteur 1. Le second organe, disposé dans la partie inférieure de l'injecteur dans le prolongement du premier élément, se compose de moyens oscillateurs 2 couplés mécaniquement aux moyens générateurs de vibrations. Ces moyens oscillateurs sont dans le mode de réalisation figuré, essentiellement constitués par une buse de forme tronconique 3 dans laquelle sont amplifiées les vibrations provenant du transducteur 1. La buse 3 présente une cavité intérieure 15 destinée à être remplie en carburant sous pression par l'intermédiaire d'un perçage radial 14 d'amenée du carburant venant se connecter à un circuit d'alimentation de fluide sous pression 16. La cavité 15 débouche à l'extrémité inférieure de la buse 3 par un orifice30 d'injection 5 L'ouverture inférieure 5 de ladite buse 3 est prolongée par une collerette fine 10 de forme tronconique divergente. Lors de la mise en vibration de la buse 3, cette collerette 10 se trouve excitée à une fréquence proche de la résonance générant des amplitudes de vibrations importantes à sa périphérie 11. Enfin, le troisième organe est constitué par une tige cylindrique 4 logée mobile axialement à l'intérieur de la buse 3 et dont l'extrémité inférieure de forme tronconique 7 s'étend à l'extérieure de la buse 3. Cette extrémité 7 formant clapet est adaptée pour venir en contact avec la surface intérieure de la buse 3 délimitant l'ouverture inférieure 5 de la buse 3, surface définissant un siège pour ledit clapet, et ainsi pour obturer l'orifice d'injection du carburant. L'autre extrémité de la tige 4 est munie d'une masse 8 reliée élastiquement par une coupelle 9 à la buse 3. Cette coupelle 9 exerce une force de rappel élastique tendant à appliquer l'extrémité 7 de la tige 4 contre la surface entourant l'orifice d'injection 5 de la buse 3. La valeur de la masse 8 et la rigidité de la coupelle 9 sont choisis pour former un système ayant un temps de réponse très grand par rapport aux durées d'excitation du transducteur 1. 2792369 La liaison entre la buse 3 et le transducteur 1 s'opère à travers un accouplement par bride 36 et contre- bride 34 serrées l'une contre l'autre aux moyens de vis 13 et d'écrous. La transmission des vibrations entre le transducteurs 1 et la buse 3 s'opère ainsi avec un fort couplage élastique assuré par les moyens de précontrainte constitués par les liaisons vis-écrou 13. Le transducteur 1 est dimensionné pour transmettre un maximum de contrainte au niveau de la jonction 12 avec la buse 3, ce maximum de contrainte correspondant à un minimum d'amplitude de vibration pour le matériau. C'est, par ailleurs, au niveau de la bride 36 solidaire de la buse 3 qu'est ménagé radialement le canal d'alimentation 14 permettant d'alimenter la cavité 15 avec un carburant (liquide ou gaz) sous pression. Le transducteur 1 comporte une zone 17 constituée de composants actifs piézo-électriques ou magnétostrictifs, qui, respectivement sous l'application d'un champs électrique ou magnétique se déforment en épaisseur. Cette partie 17 est prise en sandwich entre deux autres éléments 18 et 19 constitués d'un matériau élastique. La liaison entre les éléments 17, 18, et 19 est assurée par des moyens de précontrainte telle qu'une vis 20. Comme indiqué à la figure 8, le calculateur de contrôle moteur envoie deux impulsions correspondant au tt début et à la fin de l'injection, pendant cette durée un générateur de fréquence ultrasonore 38 envoie un train d'onde (niveau 5V) à une fréquence d'excitation donnée en entrée d'un amplificateur 39, lequel permet d'attaquer les céramiques piézo-électriques en tension alternatives (de l'ordre de + 40V à -40V) à la même fréquence ultrasonore pendant la durée d'injection. Sous l'application d'une tension électrique sur l'électrode commune aux deux céramiques piézo-électriques, celles-ci se déforment et engendrent une contrainte élastique qui se transmet jusqu'à l'extrémité inférieure de buse 3 o est située la collerette 10. La buse 3 est dimensionnée pour résonner à la fréquence d'excitation des composants actifs 17 et pour amplifier les déplacements longitudinaux jusqu'au niveau de la collerette 10. Cette collerette 10 est aussi dimensionnée pour résonner à la fréquence d'excitation de sorte que les déplacements produits au niveau de la zone d'appui du clapet 7 entourant l'ouverture 5, sont amplifiés pour atteindre un maximum aux extrémités de cette même collerette aux points. La tige 4, obturant initialement l'ouverture 5 par son extrémité 7 formant clapet, se déforme sous l'impulsion qui lui est fournie lorsque la buse 5 se met à osciller. Cette déformation se répartit élastiquement sur toute la longueur de la tige 4 et se réfléchit à30 l'interface entre la tige 4 et la masse 8. La réponse propre de la tige 4 d'une part et de la buse 3 d'autre part permettent de faire osciller l'extrémité 7 et l'ouverture 5 avec une variation de phase 5 et d'amplitude. Cette variation se traduit par l'ouverture d'une fente annulaire 21 entre la tige 4 et l'extrémité cylindrique du buse 3, la largeur de la fente dépendant de l'écart relatif entre l'amplitude d'oscillation de l'ouverture 5 et l'amplitude d'oscillation du clapet 7.10 La figure 2 décrit la variation relative de position entre l'extrémité 7 de la tige 4 (points Ai) et l'ouverture 5 de la buse 3 (points Bi) pour 3 cycles d'oscillation de l'ensemble résonateur. La figure 315 illustre les positions des points Ai et Bi en fonction du temps. L'ouverture de la fente annulaire 21 est donc oscillante avec une amplitude maximale égale à la différence maximale d'amplitude de vibration entre le clapet 7 et l'ouverture 5 comme l'indique la figure 4. La fréquence d'ouverture de la fente dépend alors de la fréquence d'excitation choisie pour le transducteur 1 et des fréquences propres de la tige 4.25 Selon le cycle de fonctionnement indiqué figure 2, l'accostage de l'extrémité 7 de la tige 4 sur les bords de l'extrémité 5 de la buse 3 peut se produire avec une vitesse relative très faible, n'induisant pas de choc élastique de forte intensité. Selon un autre mode de fonctionnement illustré figure 5, la vitesse d'accostage entre les deux extrémités est maximale et génère un choc élastique à chaque oscillation. Le choc élastique se produit par contact dans la zone de l'ouverture 5 et se transmet en partie dans la collerette 10. L'excitation correspondante au choc étant très courte dans le temps, elle permet de générer plusieurs modes de vibrations de la collerette 10, notamment à des fréquences plus élevées que la fréquence d'excitation du transducteur 1. Ces modes de vibrations à plus hautes fréquences viennent se superposer au mode de résonance fondamental excité par les déplacements de l'extrémité de la buse 3. Comme indiqué figure 6, la collerette 10 peut alors se déformer avec une série de noeuds et de ventres d'oscillations entre la zone de l'ouverture 5 et l'extrémité 11 de la collerette. Lorsque la fente 21 s'ouvre, le liquide sous pression est éjecté à travers cette fente sous forme d'un cône liquide qui suit la surface interne de la collerette 10. Le film liquide 22 lors de son contact avec la collerette 10 est repulvérisé par les vibrations de cette même collerette en fines gouttelettes 23. L'angle d'ouverture de la collerette 10 permet de régler aussi l'angle d'ouverture du spray de gouttelettes 23 ainsi formées ou de gaz, indépendamment du temps d'éjection. Le temps d'ouverture minimum du dispositif d'injection est du même ordre que la période d'excitation appliquée au transducteur 1, laquelle excitation peut se faire à quelques dizaines de kilohertz, typiquement 50 kHz, ce qui autorise des temps d'ouverture minimum de l'ordre de 20 ps. Ceci permet de délivrer des micro- quantités de liquide pendant un laps de temps réduit par rapport aux dispositifs d'injection plus classiques o le temps minimum pour opérer l'ouverture et la fermeture du nez d'injection est plutôt de 300 ps. En se reportant à la figure 7, on a représenté un mode d'implantation d'un injecteur selon l'invention dans un moteur à combustion interne de véhicule automobile. L'alimentation en carburant du moteur est du type multipoint à commande électronique par lequel chaque chambre de combustion 25 est alimentée directement en carburant par au moins un injecteur de carburant 1 débouchant dans la chambre. Le corps de l'injecteur est fixé à la culasse 24 du moteur à son extrémité supérieure par des moyens non figurés, cette extrémité supérieure étant par ailleurs connectée à une conduite d'amenée du carburant également non figuré. L'étanchéité au droit du puits 28 de l'injecteur est assuré par une bague 26 usinée dans la masse de la buse 3 et située au niveau d'un noeud de vibration. Cette bague 26 est maintenue en application de manière étanche sur la bordure 27 du puits d'injection 28. Une coquille 29 pouvant se scinder en deux pièces symétriques est ajustée autour de la buse 3 entre la bague 26 et la collerette 10, la coquille étant fixée sur la bague 26 par l'intermédiaire d'ergots de positionnement 30. La coquille 29 est dimensionnée pour effleurer d'une part la buse 3 et d'autre part la paroi du puits 28 avec un espacement 31 correspondant à l'épaisseur de couche thermique de façon à éviter l'accumulation de chaleur vers l'extrémité de la buse 3. Selon un mode particulier de réalisation de l'injecteur objet de la présente invention, le transducteur 1 comprend un demi- cylindre annulaire 18 en titane de diamètre 30 mm et de longueur 24 mm, un autre demi-cylindre 19 de diamètre 30 mm et de longueur 45 mm comprenant un taraudage 32 et une excavation conique 33. Une vis 20 permet de précontraindre deux anneaux de céramiques piézoélectriques (diamètre externe 30 mm, diamètre interne 10 mm, épaisseur 6 mm) entre 18 et 19, les céramiques étant disposées avec des polarisations antiparallèles. Une électrode 35 en nickel est interposée entre les céramiques.30 L'extrémité du cylindre 19 comprend un épaulement 34 formant contre-bride du côté de l'excavation 33. Cet épaulement 34 comprend des perçages dans lesquels sont insérées des vis 13 permettant de précontraindre la buse 3 sur le cylindre 19. La buse 3 en titane se compose d'une pièce tronconique section convergente en direction de l'ouverture 5. Cette pièce présente dans sa partie supérieure un épaulement 36 formant bride destiné à venir en contact avec la contre-bride 34 porté par le cylindre 19. La buse 3 a un diamètre externe variant de 30 mm à 5 mm au niveau de son extrémité 5 et un diamètre interne variant de 10 mm à 3 mm. Un cône de diamètre externe 15 mm est usiné ou rapporté (par exemple par soudure) à l'extrémité de la buse 3 pour former la collerette 10. L'épaisseur de cette collerette 10 varie de 0,5 mm dans la zone 5 à 0,1 mm à l'extrémité 11. Une tige 4 en titane de diamètre 2 mm et comprenant une extrémité conique 7 de diamètre externe 5 mm est insérée dans l'axe de la buse 3. Une coupelle 9 ayant une rigidité nettement supérieure à celle de la tige 4 sur sa longueur, comporte un orifice laissant passer la tige 4 et prend appui sur la surface supérieure de l'épaulement 36 de la buse 3. 17 2792369 Une masse cylindrique 8 comportant un taraudage est vissée sur l'autre extrémité de la tige 4 comportant un filetage. Le vissage de la masse 8 se fait jusqu'à obtenir la précontrainte voulue permettant d'appliquer l'extrémité conique 7 de la tige 4 sur la zone 5 du buse 3, la force de contact étant alors maintenue par l'élasticité de l'ensemble tige 4 et coupelle 9. La précontrainte appliquée permet d'une part l'étanchéité de l'ouverture 5 de la buse 3 lorsque le fluide 16 est alimenté avec une pression donnée et d'autre part le rattrapage d'usure éventuelle dans la zone de contact du clapet 7 avec la buse 3. La valeur de la masse 8 et la rigidité de la coupelle 9 sont choisis pour former un système ayant un temps de réponse très grand par rapport aux durées d'excitation du transducteur de l'ordre de 40 milisecondes au maximum. Le matériau dont est constitué la coupelle peut être à base de polymères ayant un très fort taux d'atténuation des déformations élastiques en dynamique. Lorsque l'on applique une tension variable de l'ordre de 40 Volts aux bornes des céramiques par l'intermédiaire de l'électrode commune 35, les deux25 céramiques se déforment en épaisseur et les déformations se transmettent dans l'ensemble de la structure. Pour une fréquence d'excitation de 50 kHz la structure est résonante avec un profil d'amplitude d'oscillation selon la position sur l'axe représenté 18 2792369 figure 10. L'alimentation du fluide 16 et le maintien de l'injecteur peuvent se faire respectivement au niveau des épaulements 34 et 36 qui sont des noeuds de vibration. La buse 3 transmet alors les vibrations jusqu'au niveau de l'extrémité de la buse 3 o est ménagée l'ouverture 5 qui déforme à son tour élastiquement la tige 4. L'amplitude d'oscillation pour une tension de 40 Volts appliqués est voisine de 20 microns, laissant ainsi une ouverture 21 générant un film fluide dont l'épaisseur est du même ordre (20 microns). Ce film fluide est ensuite éclaté par les vibrations de la collerette 10, lesquelles vibrations peuvent atteindre 100 microns à l'extrémité 11 avec le facteur d'amplification lié à la réduction d'épaisseur. Le dispositif permet ainsi de générer de très fines gouttelettes. A titre d'exemple, pour une pression d'alimentation de 50 Bars, la vitesse d'éjection d'un liquide tel que l'essence est de l'ordre de 100 m/s, avec un temps d'ouverture de 20 Us le fluide aura parcouru 2 mm le long de la collerette dont la surface active en vibration s'étend sur 5 mm ce qui laisse une zone de contact suffisant pour que les vibrations de la collerette puissent se coupler avec le film fluide et le nébuliser. 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. 2o 2792369 REVENDICATIONS [1] Dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne comprenant un injecteur (1) relié à un circuit (2) de carburant sous une pression adaptée, caractérisé en ce que ledit injecteur (1) comporte une buse (3) alimentée en carburant et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection de carburant (5), des moyens (1) de mise en vibration cyclique de la buse (3) lesdits moyens étant pilotés en durée et en intensité par le système électronique de contrôle moteur, et des moyens obturateurs (7) rappelés élastiquement contre ledit orifice d'injection (5), la mise en15 vibration de la buse (3) et des moyens obturateurs (7) assurant l'éjection d'une quantité de carburant prédéterminée. [2] Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité de la buse (3) o est ménagée l'orifice d'injection (5) est prolongée par une collerette (10) conformée pour vibrer avec de fortes amplitudes. [3] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdits moyens obturateurs sont formés par une tige (4) dont l'extrémité évasée (7) forme clapet, ladite tige (4) étant montée mobile axialement à l'intérieur de ladite buse (3) et étant solidarisée élastiquement avec ladite buse (3). [4] Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite tige (4) est munie en son extrémité opposée à l'orifice (5) d'une masse prédéterminée. [5] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que ladite tige (4) est solidarisée au corps de la buse (3) par l'intermédiaire d'une coupelle élastique (9). [6] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de mise en vibration cyclique de la buse (3) sont formés par un transducteur (1). [7] Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit transducteur comporte des céramiques piézo-électriques. [8] Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit transducteur comporte un matériau magnétostrictif.