Brevet FR2801346A1 — publié le 20010525

i 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 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. 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 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 orifice 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 cylindrique alimentée en carburant et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection, des moyens de mise en vibration cyclique de la buse tel qu'un transducteur, lesdits moyens de mise en vibration cycliques étant pilotés en durée et en intensité par le système électronique de contrôle moteur, et des moyens obturateurs rappelés par des moyens élastiques de rappel contre l'extrémité de la buse, les moyens élastiques de rappel élastique étant formés par une tige traversant le corps de l'injecteur jusqu'à une cavité située à l'extrémité opposée par rapport à l'orifice d'injection, la tige coopérant avec une masse et des moyens d'amortissement logés dans la cavité, la mise en vibration de la buse et des moyens obturateurs assurant l'éjection d'une quantité de carburant prédéterminée. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les moyens obturateurs font corps avec la tige dont l'extrémité évasée forme clapet, la tige étant montée mobile axialement à l'intérieur de ladite buse et étant solidarisée par l'intermédiaire des moyens amortisseurs avec la buse. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les moyens amortisseurs sont formés par une d'une rondelle élastique. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, la cavité est formée après la partie du transducteur s'étendant à l'arrière de l'injecteur. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, le transducteur comporte un empilement de plus de deux composants actifs. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, l'injecteur peut être fixé à la culasse en appui sur un joint au niveau de la jonction o les déplacements sont minimum. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les composants actifs du transducteur sont formés dans un matériau piézo- électrique. Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les composants actifs du transducteur sont formés dans un matériau magnétostrictif. 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'exemple 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; la figure 6 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 7 est une vue en coupe axiale détaillant la répartition d'amplitude de vibration le long de l'axe de l'injecteur représenté à la figure 1. 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 deux organes distincts coopérant les uns avec les autres. Le premier organe se compose de moyens aptes à générer des vibrations dans un mode longitudinal à des fréquences ultrasonores tel qu'un transducteur 1, lequel transducteur se termine dans la partie inférieure par une buse de forme cylindrique 3 dans laquelle sont amplifiées les vibrations provenant du transducteur 1. L'ensemble du transducteur 1 présente une cavité intérieure 15 destinée à être remplie de carburant sous pression par l'intermédiaire d'un perçage axial 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 6 de la buse 3 par un orifice d'injection 5. Le deuxième 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'extérieur 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 et reliée élastiquement par une rondelle 9 au corps du transducteur 1. L'ensemble de la masse 8 et de la rondelle 9 sont logés dans une cavité 10 formée dans la partie arrière du transducteur 1. La masse 8 ainsi intégrée à l'injecteur peut avoir un volume adapté en ajustant la hauteur de cette masse sans modifier son rayon ni la géométrie de la partie transducteur 1, ce qui permet de conserver un rayon donné pour l'ensemble de l'injecteur. Cette rondelle 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 rondelle 9 sont choisis pour former un système ayant un temps de réponse très grand par rapport aux durées d'excitation du transducteur 1. Le transducteur 1 est dimensionné pour transmettre un maximum de contraintes au niveau de la jonction 12 avec la buse 3, ce maximum de contraintes correspondant à un minimum d'amplitude de vibration pour le matériau. Le transducteur 1 comporte une zone 17 constituée d'un empilement de composants actifs piézo- électriques ou magnétostrictifs, qui, respectivement sous l'application d'un champ 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. L'empilement de plusieurs composants actifs 17 permet d'additionner les déformations en épaisseur générées par chacun des anneaux, la déformation résultante du déplacement total de l'empilement d'anneaux restant en dessous de la limite de déformation élastique du moyen de précontrainte 20. L'augmentation du nombre d'anneaux dans l'empilement génère un gain en déplacement qui permet de compenser les pertes d'amplification dans la partie 19 du transducteur 1 lorsque l'on réduit le diamètre de cette partie 19 et que l'on a une seule zone de transition 12 o s'opère l'amplification. Comme indiqué à la figure 8, le calculateur de contrôle moteur 31 envoie deux impulsions correspondant au début et à la fin de l'injection, pendant cette durée un générateur de fréquence ultrasonore 32 envoie un train d'onde (niveau 5V) à une fréquence donnée en entrée d'un amplificateur 33, lequel permet d'attaquer les céramiques piézo- électriques en tension alternative (de l'ordre de ±60V) à la même fréquence ultrasonore pendant la durée d'injection. Sous l'application d'une tension électrique sur les électrodes des céramiques piézo-électriques, celles-ci se déforment et engendrent une contrainte élastique qui se transmet jusqu'à l'extrémité inférieure 6 de la buse 3. L'ensemble composé du transducteur 1 et de la buse 3 est dimensionné pour résonner à la fréquence d'excitation des composants actifs 17 et pour amplifier les déplacements longitudinaux jusqu'au niveau de l'extrémité inférieure de la buse 3. 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 3 se met à osciller. Cette déformation se répartit élastiquement sur toute la longueur de la tige 4 et se réfléchit à 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 et d'amplitude. Cette variation se traduit par l'ouverture d'une fente annulaire 21 entre la tige 4 et l'extrémité 6 de la buse 3, la largeur de la fente dépendant de l'écart relatif entre l'amplitude d'oscillation de l'extrémité 6 de la buse 3 et l'amplitude d'oscillation du clapet 7. La figure 2 décrit la variation relative de position entre l'extrémité 7 de la tige 4 (points Ai) et l'extrémité 6 de la buse 3 (points Bi) pour 3 cycles d'oscillation de l'ensemble résonateur. La figure 3 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'extrémité 6 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. Selon le cycle de fonctionnement indiqué figure 2, l'accostage de l'extrémité 7 de la tige 4 sur les bords de l'extrémité 6 de la buse 3 peut se produire avec une vitesse relative très faible, n'induisant pas de choc élastique de forte intensité. 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 ls. 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 Us. En se reportant à la figure 6, 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 16 également non figuré. L'étanchéité au droit du puits 28 de l'injecteur est assuré par un joint torique 26 maintenu en application entre la jonction 12 et la bordure 27 du puits d'injection 28. Le diamètre de la buse 3 est dimensionné pour effleurer la paroi du puits 28 avec un espacement 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 cylindre 18 en acier de diamètre 20 mm et hauteur 35 mm comportant dans sa partie supérieure un logement 10 de hauteur 15 mm pour placer la masse 8 et comportant dans sa partie inférieure un axe fileté 20. L'axe fileté du cylindre 18 permet de précontraindre des anneaux de céramiques piézo- électriques (diamètre externe 20 mm, diamètre interne 6 mm, épaisseur 2 mm) entre le cylindres 18 et le cylindre 19 présentant un filetage 23. Les céramiques sont disposées avec des polarisations anti-parallèles, des électrodes 13 étant interposées entre chaque paire de céramique. Une tige 4 en titane de diamètre 2 mm et comprenant une extrémité conique 7 de diamètre externe mm est insérée dans l'axe du transducteur 1. Une rondelle élastique 9 comporte un orifice laissant passer la tige 4 et prend appui sur la surface inférieure du logement 10. 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 de la buse 3, la force de contact étant alors maintenue par l'élasticité de l'ensemble tige 4 et rondelle 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 rondelle 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 1 à 20 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 60 Volts aux bornes des céramiques par l'intermédiaire des électrodes communes 13, les céramiques se déforment en épaisseur et les déformations se transmettent dans l'ensemble de la structure. Pour une fréquence d'excitation voisine de 50 kHz la structure mécanique est résonante avec un profil d'amplitude d'oscillation selon la position sur l'axe représenté à la figure 7. Le maintien de l'injecteur peut se faire au niveau de la jonction 12 qui est un noeud de vibration. La buse 3 transmet alors les vibrations jusqu'à son extrémité 6 qui se déforme avec un mouvement oscillant, laquelle extrémité 6, déforme à son tour élastiquement la tige 4. L'amplitude d'oscillation pour une tension de Volts appliqués sur chaque électrode est voisine de microns, laissant ainsi une ouverture 21 générant un film fluide dont l'épaisseur est du même ordre (20 microns). Ce film fluide est fragmenté par la fermeture de l'ouverture 21 qui intervient au bout d'un temps très court ( toutes les 20ps). Le dispositif permet ainsi de générer, selon les besoins, de très fines gouttelettes 22. La modulation de l'amplitude de l'ouverture 21 permet de moduler la taille des gouttes et ainsi le débit avec des temps de réponse de l'ordre de 20 ps. Bien entendu, l'invention n'est nullement limité 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 selon son esprit. REVENDICATIONS [1] Dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne comprenant un injecteur relié à un circuit de carburant (16) sous une pression adaptée, caractérisé en ce que ledit injecteur comporte une buse (3) cylindrique alimentée en carburant et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection (5), des moyens de mise en vibration cyclique de la buse (3) tel qu'un transducteur (1), lesdits moyens de mise en vibration cycliques étant pilotés en durée et en intensité par le système électronique de contrôle moteur, et des moyens obturateurs (7) rappelés par des moyens élastiques de rappel contre l'extrémité (6) de la buse (3), lesdits moyens élastiques de rappel élastique étant formés par une tige (4) traversant le corps de l'injecteur jusqu'à une cavité (10) située à l'extrémité opposée par rapport à l'orifice d'injection (5), ladite tige coopérant avec une masse (8) et des moyens d'amortissement (9) logés dans ladite cavité (10), la mise en 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 lesdits moyens obturateurs font corps avec ladite 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 par l'intermédiaire desdits moyens amortisseurs avec ladite buse (3). [3] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdits moyens amortisseurs sont formés par une rondelle élastique (9). [4] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que ladite cavité (10) est formée après la partie (18) du transducteur (1) s'étendant à l'arrière de l'injecteur. [5] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que le transducteur (1) comporte un empilement de plus de deux composants actifs (17). [6] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur peut être fixé à la culasse (24) en appui sur un joint (26) au niveau de la jonction (12) o les déplacements sont minimum. [7] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants actifs (17) sont formés dans un matériau piézo-électrique. [8] Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants actifs (17) sont formés dans un matériau magnétostrictif.