Brevet FR2811377A1 — publié le 20020111

Domaine technique La présente invention concerne un injecteur pour injecter du carburant dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant une aiguille guidée dans le boîtier de l'injecteur, cette aiguille étant entourée par une chambre de buse dont l'alimentation peut être fermée et libérée par un élément de fermeture à commande externe, et avec des alimentations vers des pièces de commande qui dérivent de l'alimentation de buse. Dans les moteurs à combustion interne à injection directe, on utilise actuellement de plus en plus des systèmes d'injection à accu- mulateur (systèmes à rampe commune) qui doivent répondre aux condi- tions suivantes: la pression d'injection et la quantité d'injection doivent pouvoir se fixer de manière indépendante pour chaque point de fonction- nement du moteur à combustion interne à injection directe pour avoir un degré de liberté supplémentaire pour former le mélange. De plus, la quan- tité injectée au début de l'injection doit être aussi faible que possible pour ne pas introduire trop de carburant dans la chambre du moteur à com- bustion interne à injection directe, pendant le décalage d'allumage entre le début de l'injection et le début de la combustion. Dans les systèmes d'injection à accumulateur (rampe com- mune) avec une préinjection et une injection principale, et qui ont une structure modulaire, on utilise les composants suivants: des injecteurs commandés vissés dans la culasse du moteur à combustion interne, des systèmes d'accumulateur à pression et des pompes à haute pression. Les injecteurs sont reliés à l'accumulateur à haute pression par de courtes conduites et comprennent essentiellement une buse d'injection et une unité de commande. La quantité de carburant injectée pour une pression donnée est proportionnelle à la durée de branchement de l'unité d'actionnement; cette quantité est indépendante du régime du moteur à combustion interne et de la vitesse de rotation de la pompe. Les durées de commutation courtes, nécessaires pour les unités d'actionnement de sou- pape s'obtiennent par une conception correspondante de la commande avec des courants et des tensions élevés. Etat de la technique Selon le document DE 198 35 494 A1, on connaît un en- semble pompe-buse. Cet ensemble sert à l'alimentation en carburant d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injec- tion directe comprenant une unité de pompe pour donner la pression d'injection et pour injecter le carburant par un injecteur (buse d'injection) dans la chambre de combustion. En outre, il est prévu une unité de com- mande avec une soupape commandée réalisée sous la forme d'une sou- pape de type A, s'ouvrant vers l'extérieur. Il est prévu une unité d'actionnement de la soupape pour commander l'établissement de la pression dans l'unité de pompe. Pour créer une unité pompe-buse avec une unité de commande qui soit de construction simple, peu encombrante et présente un temps de réponse court, il a été proposé de réaliser l'unité d'actionnement de la soupape sous la forme d'un actionneur piézo- i0 électrique. Selon le document DE 37 28 817 C2, on connaît une pompe d'injection de carburant pour un moteur à combustion interne. L'organe de commande de soupape se compose d'une tige de soupape formant un manchon de guidage et coulissant dans un canal ainsi qu'une tête de soupape reliée à la tige, du côté de l'installation d'actionnement. La sur- face d'étanchéité de la tête soupape est réalisée de manière à coopérer avec la surface du perçage de commande formant siège de soupape. La tige de soupape présente à sa périphérie une cavité dont l'extension axiale va de l'embouchure de la conduite d'alimentation de carburant jusqu'au début de la surface d'étanchéité au niveau de la tête de soupape coopérant avec le siège de soupape. La cavité comporte une surface exposée à la pression de la conduite d'alimentation en carburant; celle-ci est égale à la surface de la tête de soupape exposée à la pression de la conduite d'alimentation en carburant lorsque la soupape de commande est fermée. Ainsi à l'état fermé, la soupape est équilibrée et dans le manchon de gui- dage, on a un ressort sollicitant la soupape de commande vers sa position d'ouverture. On a constaté que dans les formes de construction des in- jecteurs utilisés dans les systèmes d'injection à accumulateur (systèmes à rampe commune) et dont la course de l'aiguille ne correspond qu'à quel- ques dixièmes de millimètres, on ne pouvait pas fermer proprement les perçages d'étranglement pour de telles faibles courses. On a ainsi des fui- tes inévitables lors du mouvement vertical de la pièce de commande dans le boîtier de l'injecteur; ces fuites réduisent le rendement de l'injecteur utilisé dans de tels systèmes à accumulateur. Présentation de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients et concerne à cet effet un injecteur du type défini ci-dessus, ca- ractérisé en ce que les alimentations sont réalisées sous la forme d'éléments d'étranglement dont l'un peut être fermé du côté de la sortie par une soupape annulaire. De plus, l'élément de fermeture à commande externe peut venir contre un siège supérieur et un siège inférieur. Selon d'autres caractéristiques avantageuses: - un goujon de commande est entouré par la soupape annulaire, - la soupape annulaire est précontrainte par un élément de ressort qui s'appuie contre la face frontale d'une pièce de pression, l0 la soupape annulaire est entourée par un anneau de butée servant de butée à la surface frontale de la pièce de pression, - la soupape annulaire est munie dans sa zone supérieure d'une surface conique inclinée qui pénètre dans une chambre annulaire du boîtier de l'injecteur, - un élément de ressort agit sur la zone supérieure de la surface inclinée conique de la soupape annulaire, - la soupape annulaire lors du mouvement d'ouverture de l'aiguille ferme le second élément d'étranglement dans la chambre annulaire du boîtier de l'injecteur - un élément de ressort est logé dans une cavité du côté du boîtier, cet élément de ressort produisant la fermeture de l'aiguille contre son siège. La réalisation selon l'invention de l'injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un mo- teur à combustion interne à injection directe permet d'utiliser un distri- buteur à 2/2 voies à la place d'un distributeur à 3/2 voies. Les pertes de fuites produites sont ainsi évitées de manière significative en ce que la ré- partition des éléments de fermeture ou de décharge en deux éléments d'étranglement permet de réduire de manière significative les fuites pen- dant l'injection. La réduction des fuites pendant l'injection est réalisée par la fermeture de l'alimentation du second élément d'étranglement à l'aide d'une soupape annulaire prévue sur un goujon de soupape. La soupape annulaire peut être réalisée sous la forme d'une pièce entourant le goujon partiel de commande, avec une surface frontale et une surface enveloppe conique. Les deux surfaces sont sollicitées par des éléments à ressort en forme de ressorts spirales. Les ressorts spirales peuvent être placés dans les cavités du boîtier d'injecteur. La surface enveloppe conique de la sou- pape annulaire lors de sa pénétration dans une chambre annulaire du boîtier de l'injecteur, ferme le second élément d'étranglement pour le cou- per de la sortie de fuites. On réduit ainsi les fuites, ce qui influence positi- vement le rendement de l'injecteur. Lorsque l'aiguille d'injecteur s'ouvre pour libérer l'injection de carburant dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injection directe, c'est-à-dire pendant la phase d'injection, le se- cond élément d'étranglement est fermé du côté de la sortie, de sorte que la pression de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) qui règne dans l'alimentation de la buse reste essentiellement maintenue. On peut ainsi respecter comme calculés, la courbe de pression d'injection et le niveau de pression d'injection pour réaliser la courbe de pression d'injection selon la courbe de combustion. La courbe de pression d'injection correspond au débit mas- sique de carburant qui varie pendant un cycle d'injection (entre le début de l'injection et la fin de l'injection). La courbe d'injection définit la masse de carburant débitée pendant le retard d'allumage entre le début de l'injection et le début de la combustion. Il influence la distribution de car- burant dans la chambre de combustion et ainsi l'utilisation de l'air pour la combustion dans le cylindre d'un moteur à combustion interne à injection directe. La courbe d'injection doit augmenter lentement pour injecter aussi peu de carburant que possible pendant le retard de l'allumage. Avec le dé- but de la combustion, c'est-à-dire après le développement d'un front de flammes, complet, ce carburant brûle violemment et on a une combustion avec prémélange, ce qui se répercute de manière gênante sur le bruit en- gendré et sur l'émission d'oxydes d'azote NOx. A la fin de la combustion, il faut que la courbe d'injection chute brusquement pour éviter que du car- burant mal pulvérisé au cours de la phase finale, n'entraîne une émission d'hydrogène et de carbone et se traduise par une consommation plus im- portante de carburant du moteur à combustion interne à injection directe. Dessin La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide du dessin dans lequel l'unique figure est une coupe lon- gitudinale d'un injecteur selon l'invention, dont l'aiguille est sollicitée par l'intermédiaire d'un goujon partiel de commande lui-même entouré par une soupape annulaire qui le ferme vis-à-vis d'un second élément d'étranglement. Selon la figure unique, l'injecteur 1 représenté, servant à injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injection directe comprend un boîtier d'injecteur 2. Celui-ci est muni d'une alimentation 3 venant d'une cham- bre collectrice à haute pression (rampe commune). L'embouchure de l'alimentation 3 venant de la chambre collectrice à haute pression débou- che au-dessus d'un élément de fermeture 5 en forme de bille actionné par un actionneur qui peut être piézo-électrique, un électro-aimant ou un convertisseur hydraulique/mécanique. L'actionneur 4 est commandé de l'extérieur. L'élément de fermeture 5 en forme de bille est entouré par un anneau en forme de disque sur lequel s'appuie un ressort d'étanchéité 6. Le volume qui entoure l'élément de fermeture 5 comporte deux surfaces formant sièges d'étanchéité 7, 8 contre lesquels l'élément de fermeture 5 en forme de bille peut s'appuyer dans deux positions. Si l'élément de fer- meture 5 en forme de bille est appliqué contre le siège supérieur 7, l'alimentation 3 venant de la chambre collectrice à haute pression est fer- mée par rapport à l'alimentation de buse 9. L'alimentation de buse 9 qui débouche dans la chambre de buse 12 entourant une aiguille 13 comporte deux éléments d'étranglement 10, 11. Le premier élément d'étranglement débouche dans la cavité 29 prévue du côté du boîtier de l'injecteur re- cevant un ressort d'étanchéité 28. Le ressort d'étanchéité 28 s'appuie par un côté contre un front de limitation de la cavité 29 du boîtier 2 de l'injecteur et par la face frontale opposée contre un élément 27 en forme de plateau, réalisé sur un goujon 19 formant la pièce de commande. Une première dérivation relie la cavité 29 à la conduite de sortie 26 débou- chant dans le réservoir du véhicule. Un autre élément d'étranglement 11 relie l'alimentation de buse 9 à une chambre annulaire 24 qui s'étend de manière annulaire au- tour d'une soupape annulaire 23. Le goujon 19 formant la pièce de com- mande est entouré par la soupape annulaire 23 et celle-ci présente une surface frontale annulaire plane à son extrémité inférieure et une zone de surface enveloppe, conique dans sa partie supérieure. La surface frontale de la soupape annulaire 23 est sollicitée par un élément de ressort 22 s'appuyant d'un côté contre la surface frontale de la soupape annulaire 23 et de l'autre côté contre la surface annulaire d'une pièce de pression 17 et ainsi contre l'aiguille 13. Le côté supérieur, c'est-à- dire la zone de forme conique de la soupape annulaire 23 est soumise à l'action d'un ressort 25 s'appuyant contre une surface annulaire du boîtier d'injecteur 2. L'élément de ressort 22 appliqué contre la face frontale de la soupape an- nulaire 23 est entouré de son côté par un anneau de butée 20 logé dans une chambre creuse 21. L'anneau de butée 20 sert de surface de butée limitant la pièce de pression 17 de l'aiguille 13. Lors de l'ouverture de l'aiguille de buse 13, 17 et de la libération de l'injection au niveau de l'orifice d'injection 16, la surface frontale de la pièce de pression 17 s'appuie contre l'anneau de butée 20. Ainsi, l'élément de ressort 22 également sollicité par la sur- face frontale est poussé contre la soupape annulaire 23 montée coulis- sante sur le goujon 19 formant la pièce de commande; cette soupape annulaire pénètre de son côté dans la chambre annulaire 24 du boîtier 2 de l'injecteur et ferme la seconde sortie vers la conduite de fuite 26. Ainsi, le second élément d'étranglement 11 de l'alimentation de buse 9, est cou- pé de manière étanche en aval, pour éviter tout court-circuit par l'intermédiaire de la chambre annulaire 24 avec la conduite de fuite 26. L'injecteur tel décrit ci-dessus, selon l'invention fonctionne de manière suivante: En actionnant l'unité d'actionnement de soupape 4 qu'il s'agisse d'un actionneur piézo-électrique, d'un électro-aimant ou d'un ac- tionneur hydraulique/mécanique, on libère l'alimentation 3 de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) vers l'alimentation de la buse. En fonction du dimensionnement du ressort d'étanchéité 6 qui solli- cite l'élément de fermeture 5 réalisé ici sous la forme d'une bille, on aura un débit massique de carburant dans l'alimentation 9 de la chambre de buse 12. A l'intérieur de la chambre de buse 12, en appliquant la pression dans l'alimentation 9 venant de la chambre collectrice à haute pression, l'aiguille 13 ou la pièce de pression 17 seront commandées à l'ouverture. Par le mouvement de soulèvement vertical de la pointe 15 de l'injecteur par rapport à sa surface formant siège, on libère l'orifice d'éjection 16 et une quantité dosée de carburant à haute pression peut être injectée dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne à injection directe. Le mouvement d'ouverture de l'aiguille 13 ou de la pièce de pres- sion 17 par l'application de la pression contre le gradin de pression 14 dans la chambre de buse 12 fait pénétrer la surface frontale de la pièce de pression 17 dans la chambre creuse 21 du boîtier 2 de l'injecteur jusqu'à ce que la surface frontale s'applique contre l'anneau de butée 20. Ainsi, le goujon 19 de la pièce de commande se déplace également verticalement vers le haut et la soupape annulaire 23 logée sur celui-ci dans la chambre annulaire 24 se déplace dans le boîtier 2 de l'injecteur. Le mouvement vertical de remontée du goujon 19 comprime le ressort d'étanchéité 28 dans la cavité 29 du boîtier 2 de l'injecteur; ce ressort remonte également dans la cavité 29 avec le plateau à ressort 27 relié au goujon 19. Cette cavité 29 est soumise au carburant à haute pres- sion appliqué par l'intermédiaire du premier élément d'étranglement 10 relié à l'alimentation de buse 9; ce carburant se trouve également dans la cavité 29 du boîtier 2 de l'injecteur. Le carburant à pression élevée de la cavité 29 à l'intérieur du boîtier d'injecteur 2 soutient l'action du ressort d'étanchéité 28 agis- sant sur l'élément de plateau 27 du goujon 19 de la pièce de commande. Lorsque la soupape annulaire 23 remonte dans la chambre annulaire 24 du boîtier 2 de l'injecteur contre l'action du ressort 25, cela ferme la bran- che inférieure de la conduite de fuite 26. On évite ainsi un courtcircuit entre l'autre élément d'étranglement 11 partant de l'alimentation de buse 9 par l'intermédiaire de la chambre annulaire 24 avec la conduite de fuite 26; on évite que du carburant à haute pression ne passe directement par un tel court-circuit dans le réservoir à carburant du véhicule. Cela permet d'améliorer considérablement le rendement de l'injecteur selon l'invention. Ce résultat vient de la soupape annulaire 23 déplacée suivant la course de la buse, et qui coupe de manière précise la sortie à l'instant auquel s'ouvre l'orifice d'éjection 16 de la buse d'injection qui se soulève de son siège 15. Du fait du gradin de pression 14 entre l'aiguille de buse 13 et la pièce de pression 17, on a un mouvement de re- montée vertical de l'aiguille 13 ou de la pièce de pression 17 qui produit le coulissement vertical de la soupape annulaire 23 correspondant à l'étanchéité. A la fermeture de la buse, c'est-à-dire lorsque l'élément de fermeture 5 en forme de bille vient contre son siège supérieur 7 ou son siège inférieur 8, on a une décharge de pression de l'alimentation de buse 9 vers la chambre de buse 12 entourant l'aiguille 13, tout d'abord par l'intermédiaire de l'élément d'étranglement 11. La pression élevée qui règne dans la cavité 29 du boîtier 2 de l'injecteur produit le mouvement de descente du plateau de ressort 27 assisté par le ressort d'étanchéité 28, de sorte que le goujon 19 de la pièce de commande et ainsi la pièce de pression 17 et l'aiguille 13 s'appliquent contre son siège 15, ce qui ferme l'orifice d'éjection 16. Le mouvement de descente vertical du goujon 19 fait que la surface conique de la soupape annulaire 23 se dégage de la chambre annulaire 24 et permet une dé- charge de pression de l'alimentation de buse 9 par la chambre annulaire 24 dans la branche inférieure de la conduite de fuites 26. Le mouvement de descente de l'aiguille 13, 17 se fait d'une part grâce à la pression élevée de l'alimentation de buse 9 qui règne encore dans la cavité 29 et du res- sort d'étanchéité 28 prévu dans cette cavité; ce mouvement est également produit par une décharge de pression de l'alimentation de buse 9 produite par l'autre élément d'étranglement 11, par l'intermédiaire de la chambre annulaire 24 et de la conduite de fuites 26. Par la division de l'organe d'étranglement de fermeture (organe d'étranglement de décharge) en deux éléments d'étranglement, on aura une faible fuite, car précisément à l'instant de l'injection, le second élément d'étranglement 11 du côté aval est fermé par l'arrivée de la soupape annulaire 23 dans la chambre annu- laire 24 suite à l'ouverture de l'aiguille 13, 17, qui ferme la communication entre le second organe d'étranglement 11 et la conduite de fuites 26 par l'arrivée de la soupape annulaire 23. La surface de fermeture de forme co- nique de la soupape annulaire 23 pénètre dans le siège en regard du boî- tier 2 de l'injecteur et coupe de manière étanche la chambre annulaire 24, de sorte qu'à partir de cet instant, c'est-à-dire pendant la phase d'injection, il ne peut y avoir de pertes de fuites que par le premier élément d'étranglement 10 débouchant dans la cavité 29 prévue du côté du boîtier. REVENDICATIONS 1 ) Injecteur pour injecter du carburant dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comprenant une aiguille (13) guidée dans le boîtier (2) de l'injecteur, cette aiguille étant entourée par une chambre de buse (12) dont l'alimentation (9) peut être fermée et libérée par un élément de fermeture à commande externe, et avec des alimenta- tions (10, 11) vers des pièces de commande (23, 27) qui dérivent de l'alimentation de buse (9), caractérisé en ce que les alimentations (10, 11) sont réalisées sous la forme d'éléments d'étranglement dont l'un peut être fermé du côté de la sortie (26) par une soupape annulaire (23). 2) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de fermeture (5) à commande externe peut venir contre un siège supérieur (7) et un siège inférieur (8). 3 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un goujon de commande (19) est entouré par la soupape annulaire (23). 4 ) Injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la soupape annulaire (23) est précontrainte par un élément de ressort (22) qui s'appuie contre la face frontale (18) d'une pièce de pression (17). ) Injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la soupape annulaire (23) est entourée par un anneau de butée (20) ser- vant de butée à la surface frontale (18) de la pièce de pression (17). 6 ) Injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la soupape annulaire (23) est munie dans sa zone supérieure d'une sur- face conique inclinée qui pénètre dans une chambre annulaire (24) du boîtier (2) de l'injecteur. 7 ) Injecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' un élément de ressort (25) agit sur la zone supérieure de la surface incli- née conique de la soupape annulaire (23). 8 ) Injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la soupape annulaire (23) lors du mouvement d'ouverture de l'aiguille (13, 17) ferme le second élément d'étranglement (11) dans la chambre annu- lo laire (24) du boîtier (2) de l'injecteur. 9 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé par un élément de ressort (28) logé dans une cavité (29) du côté du boîtier, cet élément de ressort produisant la fermeture de l'aiguille (13, 17) contre son siège (15).