Brevet FR2811026A1 — publié le 20020104

Domaine technique La présente invention concerne un injecteur pour un système d'injection de carburant à haute pression dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, selon lequel une con- duite d'alimentation, partant de la chambre collectrice à haute pression, débouche dans une chambre de commande qui peut être reliée par une alimentation à une buse d'injection, cette alimentation pouvant être li- bérée ou fermée par un siège d'étanchéité. Dans les systèmes d'injection comportant une chambre collectrice à haute pression (rampe commune), on utilise des injecteurs commandés en pression dont la pièce de commande est actionnée de manière électromagnétique. Dans de tels systèmes d'injection, pour du carburant à des pressions extrêmement élevées, on a un chevauche- ment entre la plage de haute pression, ouverte, avec un perçage de fuite de carburant, en sortie, ce qui se traduit par une réduction considéra- ble du rendement de tels systèmes d'injection. C'est pourquoi il faut à tout prix éviter les courts-circuits entre l'alimentation haute pression, ouverte, venant de la chambre collectrice à haute pression et les perça- ges de fuite de sortie. Etat de la technique Le document DE 198 35 494A1 concerne une unité pompe-buse (ou injecteur). Cette unité assure l'alimentation en carbu- rant de la chambre de combustion de moteurs à combustion interne à injection directe avec une unité de pompe fournissant une pression d'injection permettant d'injecter le carburant par un injecteur dans la chambre de combustion. L'unité de commande comporte une pièce de commande réalisée sous la forme d'une soupape s'ouvrant vers l'extérieur. Il est également prévu une unité d'actionnement de soupape pour commander la montée en pression dans l'unité de pompe. Pour réaliser des unités pompe-buse avec une unité de commande, qui soient de construction simple et de faible encombre- ment, l'unité d'actionnement de soupape est réalisée comme actionneur piézo-électrique. Cela permet des temps de réponse extrêmement courts. Les pertes de fuite produites dans les systèmes d'injection diminuent les pressions d'injection réalisables, de manière significative, et détériorent ainsi gravement le rendement de tels systè- mes. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux incon- vénients des solutions connues et concerne à cet effet un injecteur à haute pression du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que pour fer- mer les sorties de fuite à l'ouverture de la conduite d'alimentation ve- nant de la chambre collectrice à haute pression, les surfaces d'étanchéité en sortie recouvrent des arêtes de commande du boîtier d'injecteur. Les avantages de la solution de l'invention sont surtout le fait d'éviter une fuite de carburant à haute pression par les perçages d'évacuation en sortie dans le corps de l'injecteur peut s'éviter efficace- ment pendant la phase d'ouverture du siège de soupape. Cela permet d'augmenter de manière significative le rendement du système d'injection équipé d'injecteurs selon l'invention. La solution selon l'invention se traduit certes par une phase de chevauchement entre la conduite d'alimentation ouverte venant de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) et la fuite d'huile ouverte; toutefois, l'existence de surfaces d'étanchéité appropriées évite une sortie directe de carburant à haute pression arrivant dans la chambre de commande de soupape vers les perçages de sortie. Selon un mode de réalisation de l'objet de l'invention, la course globale de la pièce de commande peut être ralentie et la soupape à siège du côté de la haute pression est précédée d'un tiroir à faible course. Pour allonger cette faible course on a la course globale de la pièce de commande. A l'état fermé de la soupape à siège, la course al- longée assure un chevauchement au niveau de la surface de siège de la soupape. Grâce à la faible longueur de la course, la longueur de la course de la soupape à siège hges est plus grande qu'à son ouverture si bien qu'il n'y aura pas de dérivation de l'alimentation à haute pression vers les perçages de fuite en sortie. Les arêtes de commande au niveau de la surface d'étanchéité et du boîtier de l'injecteur garantissent tou- jours l'étanchéité des perçages de fuite du côté de la sortie, dès que l'arrivée des conduites d'alimentation venant de la chambre collectrice à haute pression est ouverte. Selon une variante de la caractéristique générale de l'invention, on peut installer un piston complémentaire, de manière mo- bile, sur la pièce de commande. Le piston complémentaire exécute un mouvement opposé à sa direction d'actionnement lors de l'actionnement de la pièce de commande; ce mouvement est produit par le carburant de la chambre de soupape, soumis à la pression la plus élevée de sorte qu'une arête de commande du piston complémentaire ferme une arête de commande du corps de soupape du côté de la sortie. Grâce à une modification réduite, peu compliquée du point de vue de la fabrication, pour la pièce de commande actionnée par électro-aimant ou par un actionneur piézo-électrique, on améliore con- sidérablement le rendement du système d'injection, notamment on réa- lise un dosage considérablement plus précis de la quantité de carburant à injecter chaque fois pendant la phase de préinjection dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1A montre l'injecteur avec les longueurs de chevauchement des différents composants, - la figure lB montre l'injecteur avec la course globale qui s'établit dans la direction verticale, - la figure 2 montre un injecteur à haute pression avec un piston complémentaire sollicité par un ressort de compression, prévu pour la pièce de commande, et comportant une rainure de débordement. Description des modes de réalisation La figure lA montre la pièce de commande 3 de l'injecteur 1 avec la longueur de chevauchement 18 entre la chambre de soupape 1 1 et l'alimentation de buse 10; la figure lB montre l'injecteur 1 de la figure 1A, à l'état déployé, la pièce de commande 3 étant re- montée selon la course 15. La pièce de commande 3 de l'injecteur 1 d'un système d'injection de carburant à pression extrêmement élevée, est logée dans un boîtier d'injecteur 2. La partie supérieure de l'injecteur 1 comporte une soupape de commande prévue pour le côté de sortie; cette soupape est constituée ici par une bille. Au-dessus de la soupape de commande 4 de sortie constituée par une bille, on a un électro-aimant non repré- senté en détail ou un actionneur piézo-électrique. Par son actionne- ment, on peut décharger en pression la bille constituant la soupape de commande 4 de sortie; la soupape de commande de sortie se soulève alors de son siège 5. L'élément de bille remonte en direction de la dou- ble flèche portant la référence 6 et libère un organe d'étranglement de sortie 7. La pression chute alors dans la chambre de commande qui se termine au-dessus de la surface frontale de la pièce de commande 3. Grâce au ressort de compression 17 à l'extrémité inférieure de la pièce de commande 3, celle-ci remonte globalement. La pièce de commande 3 de l'injecteur 1 selon la figure 1 comporte un organe d'étranglement d'alimentation 8 traversant la pièce de commande 3 dans la direction transversale. Cet organe peut être réalisé par exemple comme simple perçage traversant dans la partie centrale de la pièce de commande 3. Dans la zone de l'organe d'étranglement d'alimentation 8, la pièce de commande est entourée par une chambre de commande 11, annulaire. Dans la chambre de com- mande 11, réalisée dans le boîtier 2 de l'injecteur, et qui est arrondie, avec des arêtes favorisant l'écoulement, débouche le perçage d'alimentation portant la référence 9; ce perçage fournit le carburant à haute pression venant de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) à la chambre de commande 1l 1 de l'injecteur 1. Au niveau de son siège 12, la pièce de commande 3 de l'injecteur ferme, l'alimentation 10 de l'injecteur. Sous la chambre de pression, annulaire, dans laquelle débouche la conduite d'alimentation de l'injecteur, on a réalisé une surface d'étanchéité 13 sur la pièce de commande 3 de l'injecteur 1; cette surface a un diamètre extérieur identique au perçage du boîtier 2 de l'injecteur. Sous l'embouchure du perçage d'alimentation 10, vers la buse d'injection, se trouve une cham- bre de commande 19 avec une arête de commande 32. Dans la position verticale de la pièce de commande 3 représentée à la figure 1, par rap- port au boîtier 2, l'arête de commande 32 du boîtier 2 vient juste d'être fermée par la surface d'étanchéité 13, c'est-à-dire par sa courte lon- gueur 14 (hi). Dans la zone inférieure de la pièce de commande 2 es- sentiellement symétrique en rotation, on a deux surfaces 21 opposées, par lesquelles le carburant de fuite sortant de la chambre de commande 19 peut passer dans la cavité 22 qui se trouve au niveau de la surface frontale inférieure de la pièce de commande 3. Un élément de ressort de compression 17 est logé dans cette cavité 22; cet élément produit un déplacement de la pièce de commande 3 dans la direction verticale lors de la décharge en pression de la chambre de commande dans la zone supérieure de l'injecteur. L'élément de ressort 17 s'appuie contre le fond du boîtier 2 de l'injecteur et sa spire supérieure s'appuie contre la sur- face frontale de la pièce de commande 3. Une sortie de carburant de fuite 16 débouche dans la cavité 22, au niveau du côté inférieur de la pièce de commande 3. Lorsqu'on décharge la pression de la chambre de com- mande au-dessus de la surface frontale supérieure de la pièce de com- mande 3, par l'ouverture d'un siège de soupape 3 en déchargeant la pression de la pièce de commande 4 en forme de bille, du côté de la sortie, sous l'effet du ressort de compression 17 appliqué contre la face frontale 20 de la pièce de commande 3, cette pièce de commande re- monte. L'organe d'étranglement d'alimentation 8 qui traverse la pièce de commande 3 arrive dans le boîtier 2 et se ferme. En même temps, le carburant à haute pression, au-dessus de la chambre collectrice à haute pression, arrive par la conduite d'alimentation 9 dans la chambre de commande 11. Le mouvement de remontée verticale de la pièce de commande 3 s'effectue sur toute la longueur 15 hges ainsi le volume an- nulaire au niveau de la pièce de commande 3 permet une communica- tion directe entre la conduite d'alimentation 9 venant de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) et la conduite d'alimentation 10 de la buse d'injection. En même temps que le mou- vement vertical de la pièce de commande 3, sa surface d'étanchéité 13, de longueur 14 (hi) vient juste recouvrir l'arête de commande 32, laté- rale, du boîtier, de sorte que la chambre de commande 19 est fermée de manière étanche par rapport au carburant à haute pression de la con- duite d'alimentation 10 reliée à l'injecteur. Les quantités de carburant de fuite, qui s'échappent de la chambre de commande 19 dans la cavité 22 par la surface 21, passent alors par la cavité 22 dans la sortie de fuite 16. Dans la seconde variante de réalisation de l'idée de base de l'invention, la pièce de commande 3 comporte un piston complé- mentaire 24 mobile de manière relative. La pièce de commande 3 a pra- tiquement la forme de la pièce de commande 3 de la figure 1 et dans sa partie supérieure elle est traversée par un canal d'étranglement d'alimentation 8 coupant la pièce de manière inclinée. Au-dessus de l'organe d'étranglement d'alimentation 8 se trouve une chambre de commande réalisée dans le boîtier 2. La chambre de commande comporte un organe d'étranglement de sortie 7 qui peut être libéré ou fermé par une pièce de commande 4 prévue en sortie. Pour cela, au-dessus de la pièce de commande 4 en sortie il est prévu un actionneur électromagnétique ou un actionneur piézo-électrique ou encore tout autre dispositif d'actionnement agissant sur la pièce de commande 4 en sortie, dans la direction verticale 6 pour l'appliquer contre le siège de soupape ou l'en écarter. Sous l'organe d'étranglement d'alimentation 8, qui la tra- verse en biais, la pièce de commande 3 comporte une partie rétrécie formant un siège d'étanchéité 25. Sous la partie rétrécie de la pièce de commande 3, à la périphérie est prévu un piston complémentaire 24, mobile dans la di- rection axiale. Ce piston est soutenu par un élément de ressort de com- pression 17 qui s'appuie de son côté contre le fond du boîtier 2. De façon analogue à la réalisation de la pièce de commande 3 de la figure 1, la pièce 3 comporte ici des surfaces 21 par lesquelles le carburant de fuite, arrivé dans la cavité recevant le ressort de compression 17, peut s'échapper dans la cavité 22. Le piston complémentaire 24 est mobile sur la pièce de commande 3 par un guidage intérieur 17 et dans sa partie supérieure il comporte une rainure 26 s'étendant dans la direction axiale de la pièce de commande 3 et du piston complémentaire 24. L'actionnement de la pièce de commande 4 en sortie et la diminution de la pression qui en résulte dans la chambre de commande du boîtier 2 dans laquelle pénètre la surface frontale supérieure de la pièce de commande 3, produit un mouvement vertical déclenché par le ressort 17 si bien que la pièce de commande 3 se rapproche de l'organe d'étranglement de sortie 7. Le siège d'étanchéité 25, entre la pièce de commande 3 et le boîtier 2, s'ouvre, et le carburant à une pression ex- trêmement élevée, peut passer par la conduite d'alimentation 9 en pro- venance de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) dans la chambre de commande 11. Le carburant à pression élevée pro- duit un mouvement de la pièce de commande 3, vertical, montant, op- posé à la direction de la force du piston complémentaire 24, dirigé vers le bas, contre l'élément de ressort 17 assurant sa précontrainte. Ce mouvement vertical descendant déplace le piston complémentaire 24 sur la course 32. Ainsi, d'une part, l'alimentation de la chambre collec- trice à haute pression 9 est reliée par la chambre de commande 11 au niveau du siège d'étanchéité 25 et la chambre de pression 28 est reliée à l'alimentation 10 de la buse; d'autre part, le mouvement vertical des- cendant de la longueur axiale 31, fait que la partie inférieure du piston complémentaire 24 ferme l'arête de commande de fuite 32 réalisée sur le boîtier 2. Le dimensionnement des courses 31, 30 est tel qu'en libé- rant l'alimentation 10 de la buse cela garantit que le piston complé- mentaire 24 recouvre, par sa zone annulaire inférieure, par compression de l'élément de ressort 17, dans le boîtier 2 de l'injecteur, l'arête de commande de fuite 32 du boîtier 2. Il convient que la course verticale 31 soit plus grande par le dimensionnement approprié du pis- ton complémentaire 24 que la course 30 nécessaire à la fermeture de l'arête de commande 32 du boîtier d'injecteur 2. Inversement, à la fermeture de la surface d'étanchéité 25, entre la pièce de commande 3 de l'injecteur et son boîtier 2, on a une montée en pression dans la chambre de commande au niveau de la face frontale supérieure de la pièce de commande 3 si bien que la zone supé- rieure de la pièce de commande 3 de diamètre di vient dans sa position d'étanchéité 25. L'élément de ressort 17 sollicite le piston complémen- taire 24 de la pièce de commande 3 et se déplace vers la surface d'étanchéité 25. Pour diminuer la pression au niveau du point d'étranglement de la pièce de commande 3 et du boîtier d'injecteur 2, dans la zone supérieure du piston complémentaire 24, une rainure longitudinale 26 permet de fermer le piston complémentaire 24; par cette rainure longitudinale on diminue la pression à la fermeture de la pièce de commande en direction de son siège d'étanchéité 25 dans la chambre de pression 28. La rainure de décharge 26, réalisée dans la zone de gui- dage supérieur du piston complémentaire 24, permet une fermeture ra- pide par le ressort de compression 17. La fuite de la chambre de pression 28 peut s'échapper par la surface 21 réalisée sur la pièce de commande 3 dans une cavité 22 prévue sous la surface frontale infé- rieure de la pièce de commande 3. Pour actionner les variantes de réalisation selon les figu- res 1 et 2, on peut prévoir des électro-aimants, des actionneurs piézo- électriques ou des convertisseurs mécaniques/hydrauliques de pres- sion, produisant un mouvement vertical dans la direction de la double flèche représentée aux figures 1 et 2; ainsi, la pièce de commande 3 de l'injecteur 1 peut se déplacer dans une position d'ouverture ou de fer- meture du siège d'étanchéité. Le dispositif à surface d'étanchéité selon l'invention permet une séparation avec une liaison directe entre l'alimentation à haute pression 9 et les perçages de sortie en retour, ce qui autorise une augmentation significative du rendement d'un tel in- jecteur. REVEND I CATIONS 1 l Injecteur pour un système d'injection de carburant à haute pression dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, selon lequel une conduite d'alimentation (9), partant de la chambre collectrice à haute pression, débouche dans une chambre de commande (11) qui peut être reliée par une alimentation (10) à une buse d'injection, cette alimentation pouvant être libérée ou fermée par un siège d'étanchéité (12, 25), caractérisé en ce que pour fermer les sorties de fuite (16) à l'ouverture de la conduite d'alimentation (9) venant de la chambre collectrice à haute pression, les surfaces d'étanchéité (13, 24) en sortie recouvrent des arêtes de com- mande (32) du boîtier d'injecteur (2). 2 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité (24) est réalisée sous la forme d'un piston com- plémentaire entourant la pièce de commande (3). 3 ) Injecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le piston complémentaire (24) sollicité par un ressort peut coulisser par rapport à la pièce de commande (3). 4 ) Injecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsque le siège d'étanchéité (12, 25) de la pièce de commande (3) est ouvert, le piston complémentaire (24) recouvre, avec sa zone de guidage inférieure, une arête de commande (32) du boîtier (2) de l'injecteur sur une longueur de chevauchement (h2). ) Injecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone supérieure de guidage (29) du piston complémentaire (24) com- porte une rainure de décharge (26) qui soutient le mouvement de fer- meture du ressort de compression (17). 6 ) Injecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le piston complémentaire (24) effectue sur la pièce de commande (3), une course (31) opposée au mouvement d'ouverture de la pièce de commande (3) et qui libère le perçage d'alimentation (10) vers la buse d'injection. 7 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité (13) de la pièce de commande (3) présente une extension (hi) qui recouvre l'arête de commande (32) en position d'ouverture de la pièce de commande (3). 8 ) Injecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la course globale (hges) de la pièce de commande (3) est dimensionnée pour qu'en reliant (15) la conduite d'alimentation (9) de la chambre col- lectrice à haute pression avec le perçage d'alimentation (10) de la buse d'injection, on ferme un organe d'étranglement d'alimentation (8) traver- sant en sortie la pièce de commande (3). 9 ) Injecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu' en actionnant la pièce de commande (3) dans la direction de soulève- ment (6) lors de la décharge d'une chambre de commande par chevau- chement de l'arête de commande (32) du boîtier de soupape (2), la surface d'étanchéité (13) ferme de manière étanche une chambre de soupape (19) prévue en sortie dans le boîtier de soupape (2).