Brevet FR2816010A1 — publié le 20020503

DISPOSITIF D'INJECTION DE FLUIDE ET SON PROCEDE DE REALISATION La présente invention concerne un moyen de réalisation d'un dispositif d'injection de fluide, utilisé notamment dans des systèmes destinés à assurer une pulvérisation de fluides. La présente invention concerne plus particulièrement une géométrie particulière de soupape et un procédé de réalisation pour une soupape, destiné à la délivrance dosée de fluides, par exemple dans les systèmes d'injection de carburant de véhicules automobiles. Un tel dispositif est décrit par exemple dans les publications FR 2 779 484 et FR 2 758 369 de DaimlerChrysler, la publication US 5 836 521 de Dysekompagniet, ou encore la demande de brevet FR 99-14548, déposée par la Demanderesse. D'après ces documents, on connaît un dispositif d'injection de carburant caractérisé notamment en ce que le dit dispositif d'injection possède une aiguille dite sortante ou suspendue qui peut soit se translater, soit se déformer de manière à définir une fente annulaire d'éjection par rapport à un siège de soupape. Les aiguilles précitées ont une forme et une taille variable, adaptée au type de fonctionnement recherché. La forme du siège de soupape et les caractéristiques du jet influencent également la géométrie de l'aiguille et de sa surface d'appui sur son siège. Enfin, le type de matériau utilisé peut varier d'une application à l'autre selon que l'on recherche plutôt l'élasticité ou au contraire la rigidité de l'aiguille. Dans tous les cas cependant, on est confronté au délicat problème de réaliser d'une part une excellente étanchéité du siège lorsque le dispositif est au repos, sans pour autant nuire aux autres fonctionnalités que doit assurer l'aiguille, et en particulier les ouvertures fermetures de la soupape qui permettent la pulvérisation du fluide. Dans certains cas, la prise en compte de toutes les contraintes fonctionnelles de l'aiguille peut aboutir à des solutions techniques qui posent des problèmes de réalisation. Par exemple, les précisions d'usinage (défauts de forme et états de surface) et la dureté requises sur la tête de soupape pour assurer 1'étanchéité du nez peuvent être incompatibles avec le type de matériau apte à assurer à la tige des caractéristiques mécaniques correctes. Dans le cas par exemple de la demande de brevet FR99-14548 déposée par la Demanderesse, l'ouverture de la soupape est générée par les déformations de l'aiguille sous les effets des ondes acoustiques ultrasonores. Pour ce type d'application, le matériau utilisé pour la tige doit, tout à la fois, être suffisamment élastique pour permettre des déformations importantes, posséder une limite d'élasticité élevée et une bonne résistance à la fatigue. Dans le cas de cette application, le titane semble être le matériau le mieux adapté. Cependant, si l'on considère maintenant l'étanchéité du siège, on s'aperçoit alors que ce matériau ne possède pas la dureté requise et peut poser des problèmes de tribologie avec le type de matériau retenu pour le siège, si celui-ci n'est pas du titane. Parallèlement, pour d'autres types de fonctionnement (tel par exemple que ceux des dispositifs décrits dans les publications FR 2 779 484 et FR 2 758 369) dans lesquels l'ouverture de la soupape est générée par un déplacement de l'aiguille, il est préférable d'utiliser pour la tige un matériau possédant une dureté et un module de Young élevés, ce qui rend alors difficile, pour la tête de soupape, la réalisation d'usinages à la fois complexes et précis, tout en garantissant un état de surface de qualité. La présente invention a pour objectif de perfectionner la réalisation, entre autre des dispositifs précités, en proposant une géométrie et un procédé de réalisation de l'aiguille, afin que ses caractéristiques mécaniques répondent mieux aux besoins fonctionnels d'un dispositif destiné à la délivrance dosée de fluides, en particulier l'étanchéité de la soupape sur son siège et les caractéristiques mécaniques de la tige. Cette optimisation s'effectue notamment grâce à l'utilisation d'une surface de contact de type sphère sur cône et à une technique d'assemblage permettant de bénéficier d'une architecture à la fois résistante à l'usure et possédant des caractéristiques mécaniques adaptées, particulièrement dans le cas d'une structure excitée par des ondes acoustiques comme celle décrite dans la demande de brevet FR 99-14548. Selon l'invention, la structure est ainsi constituée de deux parties distinctes, formant un ensemble solidaire, chacune assurant une fonction déterminée. Avec ce type de structure hétérogène, on obtient ainsi un avantage essentiel en ce que chacune des parties de l'aiguille bénéficie d'une plus grande souplesse de réalisation. Par exemple, le choix du matériau pourra être adapté spécifiquement pour chacune des parties, en prenant en compte indépendamment chacune des fonctionnalités à assurer. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif d'injection, objet de l'invention, la première partie, qui assure les moyens d'ouverture et de fermeture de la soupape, est constituée d'une tige dont la section et le type de matériau sont adaptés en fonction du type de fonctionnement choisi pour l'injecteur. En particulier, dans le cas d'une structure, telle que décrite dans les publications FR 2 779 484 et FR 2 758 369, dans lesquelles la fente d'éjection du fluide est obtenue par une translation de l'aiguille, et où les moyens de rappel élastiques sont assurés par un ressort, la section pourra être comprise entre 7 et 50 mm2 et le matériau choisi pourra être un acier, de manière à garantir au système une rigidité suffisante pour que les déformations de la dite tige n'induisent pas de perturbations lors du fonctionnement du système. Dans le cas en revanche ou la tige constitue en elle-même un moyen de rappel élastique, comme dans la demande de brevet FR 99-14548, la section pourra être de valeur plus faible, par exemple comprise entre 0.7 et 10 mm2, préférentiellement 0.78 mm2, et le matériau choisi du titane, par exemple de nuance TA6V, de sorte que sa déformation en fonctionnement ne nécessite pas une trop grande quantité d'énergie. Parallèlement, afin de favoriser dans ce cas les déformations induites par les ondes acoustiques transmises dans l'aiguille par le moyen excitateur, il est nécessaire que l'impédance de la dite aiguille soit faible devant celle du moyen excitateur précité. Une solution consiste, par exemple, à s'assurer que le rapport de la section de l'aiguille sur celle du moyen excitateur reste inférieur à 1, idéalement égal à 0,5. Selon le même mode de réalisation particulier du dispositif d'injection, la seconde partie, qui constitue les moyens obturateurs de la soupape contre l'extrémité du siège est caractérisée en ce qu'elle forme une liaison solidaire avec le reste de la tige et possède un diamètre maximal supérieur à celui de la tige précitée, de manière à entrer en contact avec le siège de la dite soupape sous la contrainte des moyens de rappel élastiques. Le matériau utilisé pour la réalisation de cette partie pourra être de nature différente de celui qui constitue le reste de l'aiguille, et possédera préférentiellement une dureté élevée. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tête de soupape, qui constitue les moyens obturateurs, est de forme au moins partiellement hémisphérique de manière à former, lors des contacts avec le siège de soupape, une zone de contact circulaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tête de soupape est traversée par un alésage qui permet de l'emmancher à force sur la tige qui présente à son extrémité une partie cylindrique finement ajustée qui joue un rôle de guidage, et terminée par un épaulement de diamètre supérieur à l'alésage précité, destiné à empêcher la translation de la dite soupape le long de la tige lors des accostages de la soupape sur son siège. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'alésage percé dans la tête de soupape est partiellement fileté de même que l'épaulement à l'extrémité de la tige, de manière à pouvoir visser la tête de soupape sur la tige assurant ainsi une liaison rigide bilatérale. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tête de soupape est constituée d'une bille de roulement calibrée percée et alésée de manière à bénéficier d'un très faible défaut de forme et d'un excellent état de surface au niveau de la surface de contact qui assure l'étanchéité du système. Selon une autre caractéristique de l'invention, la bille de roulement calibrée, qui constitue la tête de soupape, est partiellement usinée afin de diminuer sa masse, en particulier par rapport à la masse de la tige, tout en limitant les effets de mouillage de la soupape lors des éjections. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ciaprès de différents modes de réalisation, présentés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue globale en coupe du dispositif d'injection objet de l'invention laissant apparaître les deux parties distinctes constituant la soupape, la zone de contact de la tête de la soupape sur le siège, ainsi que la partie extrême de la buse destinée à conduire le carburant jusqu'à l'orifice d'éjection, formé par la tête de soupape sur son siège, - la figure 2 est une vue en demi-coupe transversale de la tête de soupape seule sur laquelle sont représentées les différentes parties fonctionnelles pour l'assemblage, l'étanchéité, et la mise en forme du jet, - la figure 3 est une vue similaire à la figure 1 et décrit un premier mode de réalisation pour l'assemblage de la tête de soupape sur la tige, - la figure 4 est une vue similaire à la figure 1 et décrit un second mode de réalisation pour l'assemblage de la tête de soupape sur la tige. En se reportant à la figure 1, nous avons représenté le dispositif d'injection objet de l'invention. Ce dispositif présente une soupape composée de deux éléments distincts solidaires. Le premier consiste en une tige ou aiguille 107, de forme cylindrique s'étend à l'intérieur de la buse 110, et une extrémité dépasse de la dite buse 110. Ladite extrémité est caractérisée en ce qu'elle présente deux surfaces cylindriques lisses, 105 et 106, de diamètres différents et supérieurs à celui du reste de la tige 107. Le raccordement entre les deux surfaces cylindriques lisses 105,106 définit un épaulement destiné comme nous le verrons plus loin au blocage de l'aiguille 107 en translation. Le second élément 103, appelé bille ou tête d'aiguille, est constitué d'une pièce initialement sphérique 102 (représentée en traits pointillés) dont la surface extérieure à été rectifiée afin de lui donner la forme d'un cylindre creux 113, tout en conservant cependant sur son extrémité inférieure une partie sphérique 104 destinée à venir en contact avec le siège de soupape 100. L'épaulement formé par le raccordement des deux surfaces cylindriques 105 et 106 à l'extrémité de la tige 107 est adapté de manière à venir en appui, lors de l'assemblage, sur l'épaulement 108 réalisé à l'intérieur de la bille 103. En utilisant ainsi l'épaulement 108 assorti d'un montage serré de la surface cylindrique 105 de la tige 107 dans la bille 103, on obtient tout à la fois une liaison rigide entre la bille 103 et la tige 107 et une étanchéité du dispositif au fluide. L'ensemble ainsi constitué par les deux éléments précités possède de plus l'avantage de présenter le long de la zone de contact 112 un excellent état de surface ainsi qu'un très faible défaut de forme, garant d'une étanchéité parfaite pour la soupape. Un autre avantage de ce type de montage est de pouvoir adapter le choix du matériau de la bille 103 indépendamment de celui de la tige 107. Ceci permet donc d'optimiser indépendamment chaque élément du dispositif en fonction de l'application désirée. Enfin, la réalisation du dispositif permet des tolérances de fabrication moins élevées que dans le cas d'une aiguille monobloc ou l'usinage de la tête conditionne l'étanchéité de la soupape sur son siège. En effet, la qualité et les caractéristiques mécaniques de la surface, qui permettent d'assurer l'étanchéité, dépendent uniquement du grade et du type de bille choisi. Par exemple, une étanchéité totale pour un fonctionnement de plusieurs centaines de bars pourra être obtenue en optant pour une bille en X105CrMol7 de grade 10. Le diamètre de la surface cylindrique 106 de la partie intermédiaire de la tige 107, tel qu'il est présenté sur cette figure, est supérieur au diamètre du reste de la tige 107. En fait, il est tout à fait possible de réaliser une tige 107 ne possédant qu'une seule variation de diamètre à son extrémité. Cependant, il peut être intéressant, de posséder un diamètre de tige 107 le plus faible possible devant le diamètre de la buse 110 en se préservant toutefois la possibilité de réaliser un guidage de la tête de l'aiguille 107. Ceci afin d'éviter que les mouvements de translation de la dite aiguille 107 lors des ouvertures et des fermetures de la soupape ne soient perturbés par un battement trop prononcé de la tête d'aiguille. Ce dernier risquerait de provoquer des perturbations dans la forme du jet et à terme, risquerait d'endommager le siège de la soupape 100. Cette fonction de guidage peut donc être réalisée par la partie inférieure 109 de la surface cylindrique 106 lorsque celle-ci s'étend à l'intérieur de l'alésage 111 conformé à l'intérieur de la buse 110. Parallèlement, en fonction de l'ajustement choisi pour la réalisation des parties 111 et 109, la surface cylindrique 106 pourra également assurer une fonction de limiteur de débit. Dans une forme particulière de réalisation non représentée du limiteur de débit précité, on peut prévoir plusieurs fentes longitudinales sur le cylindre 109 de sorte que seule une partie de sa surface extérieure soit en appui sur l'alésage 111, assurant ainsi une fonction de guidage précis sans toutefois gêner le passage du fluide. Sur la figure 2 apparaît la forme particulière de la tête d'aiguille 103 avant que celle-ci ne soit emmanchée sur la tige, formant ainsi le dispositif visible sur la figure 1. On constate que de la forme sphérique initiale de la bille 102, seule une petite partie a été conservée. Le reste de la surface extérieure de la bille précitée a été usiné de manière à obtenir un cylindre 113 d'encombrement réduit par rapport à la forme initiale de la bille. L'intérêt de cette modification est double : d'une part, elle permet de diminuer le poids global de la tête d'aiguille 103, ce qui est particulièrement important dans le cas d'applications telles que celles décrites dans la demande de brevet FR 99-14548. D'autre part, l'extrémité inférieure du cylindre 113 sur laquelle est définie la zone d'appui 104 de la soupape sur son siège, présente après cette modification un angle de dépouille a avec la surface du cylindre 113. Ce dit angle a permet alors d'éviter les phénomènes de mouillage de la tête d'aiguille par le carburant. Toujours pour les mêmes raisons, il sera préférable de polir la surface extérieure du cylindre 113 après usinage de manière à obtenir une rugosité de surface inférieure au micron, par exemple Ra Les différentes dimensions pour les alésages 115 et 116 doivent être adaptées en fonction de la forme et de la taille de la tige. La largeur de l'épaulement 108 devra être choisie de manière à supporter les contraintes induites lors des fermetures de soupape. On choisira pour cela une largeur d'épaulement 108 comprise entre 0.2 et 0.4 mm en fonction du type de matériau utilisé. Pour une bille 103 en Xrl05CrMol7, et une tige en titane TA6V on choisira préférentiellement une largeur d'épaulement 108 de 0.25 mm. Si l'on s'intéresse maintenant à la figure 3 sur laquelle est représentée un premier procédé d'assemblage, on retrouve les deux éléments constitutifs de la soupape, à savoir la bille 103 et la tige 107 tels qu'ils ont été présentés sur la figure 1. Ce schéma laisse apparaître le sens de montage de la tige 107 dans la bille 103 qui doit être réalisé dans le sens opposé aux efforts induits par les fermetures de la soupape afin que l'épaulement 108 bloque la translation de la dite tige 107. Selon ce mode particulier d'assemblage, la tige 107 est montée serrée à l'intérieur de l'alésage 115 de la bille 103. La tolérance de montage devra être fixée en fonction des matériaux utilisés et devra prendre en compte les déformations dues aux contraintes thermiques auxquelles seront soumises les dits matériaux durant le fonctionnement du dispositif. On choisira au moins un serrage de 0.02 mm afin d'éviter que le fluide ne passe entre la tige 107 et la bille 103 Par exemple, la tige 107 pourra être assemblée par frettage sur la bille 103. L'alésage 116 pourra servir de guide lors du montage et ne sera pas forcément serré autour de la tige 107. Au contraire, le diamètre sera adapté de manière à obtenir un assemblage sans jeu avec la tige 107, de sorte que l'état de surface de la dite tige 107, à cet endroit, ne soit pas détérioré lors de l'assemblage et puisse ainsi remplir, si nécessaire, un rôle de guidage de la tête d'aiguille lors des ouvertures fermetures de la soupape. Selon la figure 4 qui représente un second mode d'assemblage possible, la tige 107, filetée sur son extrémité supérieure, est vissée dans un filet 117 réalisé à l'intérieur de l'alésage 115 de la bille 103. Afin de permettre un assemblage parfaitement coaxial de la tige 107 sur la bille 103, il est nécessaire de conserver une partie non filetée 118, dont la tolérance de montage sera choisie de manière à guider la dite tige 107 lors du montage dans la bille 103 précitée. 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 selon son esprit. En particulier, l'invention est applicable à des aiguilles d'injection ou des soupapes qui s'ouvrent vers l'intérieur. Dans ce cas, il suffit d'inverser le sens d'assemblage de la tige dans la bille de manière à ce que l'épaulement formé par la différence de diamètre des deux alésages percés à l'intérieur de la dite bille s'oppose à la translation de la tige sous l'action des contraintes induites par le choc de la soupape sur son siège. REVENDICATIONS : [1] Dispositif d'injection de fluides, notamment de carburant pour moteur à combustion interne, comprenant une soupape adaptée pour obturer un siège (100) de soupape, caractérisé en ce que la soupape comprend au moins deux éléments distincts (103,107), un premier élément (107) constituant la tige, lié à un second élément (103) constituant les moyens obturateurs, l'ensemble formant ainsi un montage solidaire et étanche aux fluides, ledit second élément (103) étant traversé par un alésage, destiné à coopérer avec une extrémité du premier élément (107), ledit second élément présentant, en outre, une partie sphérique (104) pouvant former avec le siège (100) de la soupape une zone de contact (112), qui permet d'assurer l'étanchéité du dispositif aux fluides lorsque la soupape obture le siège (100) de soupape. [2] Dispositif d'injection de fluides selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second élément (103) est conformé de manière à présenter une masse faible devant la masse du premier élément (107). [3] Dispositif d'injection de fluides selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le second élément (103) comporte une portion cylindrique (113), de même axe que l'alésage, délimitant, à l'une de ses extrémités, la partie sphérique (104). [4] Dispositif d'injection de fluides selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la surface extérieure (113) dudit second élément (103) présente un état de surface possédant une rugosité inférieure à 1 um, typiquement de l'ordre de 0, 5 um. [5] Dispositif d'injection de fluides selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier élément (107) possède au moins deux parties cylindriques (105,106) de diamètres différents, au moins une première partie cylindrique (105) desdites deux parties cylindriques (105,106) étant assemblée serrée à l'intérieur de l'alésage du second élément (103), la seconde partie cylindrique (106) étant ajustée avec l'alésage de manière à constituer un moyen de guidage du premier élément (107) à l'intérieur du second élément (103) lors de l'assemblage du premier élément (107) sur le second élément (103), lesdites parties cylindriques (105,106) formant, en outre, un épaulement permettant de bloquer en translation le premier élément (107) à l'intérieur du second élément (103), sous l'effet des forces de contact de la soupape sur son siège (100). [6] Dispositif d'injection de fluides selon la revendications 5 caractérisé en ce que le premier élément (107) est assemblé par frettage à l'intérieur du second élément (103). [7] Dispositif d'injection de fluides selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier élément (107) possède en son extrémité une partie filetée (117) et une partie lisse (118), la dite partie filetée (117) coopérant par vissage avec l'intérieur dudit second élément (103), de manière à bloquer en translation ledit premier élément (107) à l'intérieur dudit second élément (103), et la dite partie lisse (116) constitue, au moins en partie, un moyen de guidage du premier élément (107) à l'intérieur du second élément (103) lors de l'assemblage. [8] Procédé de réalisation du dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le second élément (103) est obtenu à partir d'une sphère de diamètre calibré. [9] Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la sphère est usinée de façon à définir une portion cylindrique (113) délimitant à l'une de ses extrémités une portion sphérique (114) de diamètre égal au diamètre de la sphère. [10] Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la surface extérieure du second élément (103) est rectifiée afin de posséder un état de surface présentant une rugosité inférieure au micron, typiquement de l'ordre de 0,5 um.