Brevet FR2817296A1 — publié le 20020531

Domaine technique La présente invention concerne un dispositif pour comman- der la séquence des injections, dans un système d'injection de carburant comprenant une buse d'injection commandée par une vanne de com- mande recevant du carburant d'une chambre de pompe, la vanne de commande étant actionnée par un électroaimant qui influence la course de la vanne de commande et libère ou ferme une conduite haute- pression/perçage vers une chambre de buse. Ce dispositif améliore la séquence des injections dans des i0 systèmes d'injections de carburant. Une unité pompe-buse (PDE) fournit le carburant aux chambres à combustion de moteurs à combustion à in- jection directe. L'unité de pompe permet d'établir la pression d'injection et l'injecteur assure alors l'injection du carburant. Il est également prévu une unité de commande qui comporte une pièce de commande ainsi qu'une unité d'actionnement de vanne pour commander la montée en pression de l'unité de commande du système PDE. Art antérieur Selon le document DE-198 35 494-A1, on connaît une unité de pompe-buse destinée à l'alimentation en carburant à haute pression de la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Pour réali- ser une unité de pompe-buse PDE de construction simple, peu encom- brante et avec un temps de réponse particulièrement court, on réalise une unité d'actionnement de la vanne prévue latéralement sur l'injecteur sous la forme d'un actionneur piézoélectrique. Un tel actionneur piézoélectrique présente un temps de réponse relativement court par rapport à celui d'un électroaimant car le temps d'établissement du champ magnétique n'existe pas dans le cas d'un actionneur piézoélectrique. Les actionneurs qu'ils soient électromagnétiques ou piézoélectriques n'ont pratiquement pas d'influence sur les mouvements du fluide sous haute pression dans le système des conduites d'une vanne de commande. Ces actionneurs per- mettent certes d'avoir des temps de réponse très courts mais pour éviter que les systèmes de conduite de carburant ne se vident et pour permettre ainsi de réduire la séquence des injections, il faut prendre d'autres mesu- res constructives. Selon le document DE-37 28 817-C2, on connaît une pompe d'injection de carburant d'un moteur à combustion interne qui a également pour objectif d'améliorer la réponse de la partie de commande de carburant actionnée par un actionneur électrique. Pour cela, un pous- soir d'entraînement actionné par un actionneur piézoélectrique forme un passage équipé d'un clapet anti-retour qui ferme ou libère le passage en fonction de la pression. Egalement dans cette solution selon l'état de la technique, l'utilisation d'un actionneur piézoélectrique permet certes de réduire le temps de réponse mais le comportement de l'écoulement du carburant dans le système des conduites alimentant la chambre entou- rant l'aiguille de la buse d'injection reste influencée de manière insuffi- sante. Dans le raccourcissement des intervalles d'injection, de- mandés actuellement entre la phase de préinjection et la phase d'injection principale par une buse d'injection (ou injecteur) le vidage (même partiel) du système de conduite de l'ensemble pompe/conduite/buse (PLD) repré- sente un problème grave, car il est difficile d'arriver à une montée en pres- sion rapide, non pulsée dans le système de conduite et donc à une i5 quantité d'injection dosée de manière précise et qui en dépend directe- ment, dans un système de conduite qui se vide. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients et concerne à cet effet un dispositif du type défini ci-dessus ca- ractérisé en ce que la pièce de commande de la vanne de commande fonctionne comme un élément d'étranglement dans une chambre du côté basse pression. Selon d'autres caractéristiques avantageuses - un piston donnant le profil d'injection est monté dans la chambre du côté basse pression, - l'arête de la chambre du côté basse pression dans le boîtier de la pompe constitue l'arête de commande de la pièce de commande fonc- tionnant comme élément d'étranglement, - l'effet d'étranglement entre la pièce de commande et l'arête de com- mande du boîtier de pompe est soutenu par la force de ressort résul- tante d'un accumulateur de force, - la section d'étranglement de la pièce de commande de la vanne de commande est conçue pour protéger le système de conduite haute pression vers l'aiguille de buse en évitant sa vidange. Le dispositif selon l'invention permet d'utiliser comme élé- ment d'étranglement la pièce de commande de la vanne de commande à commande magnétique, entre l'alimentation du côté de la pompe et le per- çage d'alimentation du côté de la buse; cet élément d'étranglement évite une vidange rapide de la conduite haute pression et de la chambre de la buse. On évite ainsi que ne se produisent des effets de cavitation dans le système de conduite. La partie de la pièce de commande de la vanne ser- vant d'élément d'étranglement retarde la sortie du liquide du système d'alimentation et retient la pression élevée dans la chambre de la pièce de commande, vers la zone basse pression du système d'alimentation en car- burant. La pression dans le système descend en dessous de la pression de fermeture de la buse mais le système ne se vide pas complètement grâce à l'effet d'étranglement de la pièce de commande de la vanne de commande. Lors de la nouvelle montée en pression pour la phase d'injection princi- pale, cela réduit les pulsations de pression et permet à l'aiguille de la buse de s'ouvrir plus rapidement et plus tôt. De façon avantageuse - entre la phase de préinjection et la phase d'injection principale, la courbe de pression de la buse se situe toujours dans la zone de la pression positive, - l'élément d'étranglement est réalisé sur la paroi du boîtier de la pompe de la vanne de commande, - une conduite de carburant dérive de la cavité du boîtier de pompe, - la pièce de commande de la vanne de commande réalise à la fois une phase de préinjection et forme la courbe d'injection, - des éléments d'étranglement à un ou plusieurs étages sont réalisés en aval dans la zone des arêtes de commande du boîtier de pompe et de la pièce de commande. On a ainsi des séquences d'injection beaucoup plus courtes entre la phase de préinjection et la phase d'injection principale d'une buse d'injection. Comme la pression dans le système de conduite reliée à la chambre de buse est toujours différente de zéro, cela exclue totalement les effets de cavitation et les sollicitations extrêmement élevées de la matière lors de la montée en pression grâce à la solution selon l'invention. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre en fonction de l'angle de l'arbre à came, la courbe de 3s la pression dans la conduite haute pression, celle du côté de la pompe et de la buse, la course de l'électrovanne, les phases d'alimentation de l'électroaimant ainsi que la course de l'aiguille de buse, - la figure 2 est un schéma du système d'injection de carburant avec la partie de pompe, l'électrovanne de commande et la partie de buse d'injection, - la figure 2.1 est une vue à échelle agrandie du gradin d'étranglement, les surfaces de commande de passage étant appliquées l'une contre l'autre, - la figure 2.2 montre une pièce de commande sans arête d'étranglement, - la figure 2. 3 monte la courbe de la section en fonction de la course, de la pièce de commande avec ou sans arête d'étranglement, - la figure 3 montre la courbe de la pression dans la conduite du côté de la pompe et du côté de la buse, la pression de la buse, la course de l'électroaimant, les phases d'alimentation de l'électroaimant de la vanne de commande, la course de l'aiguille de la buse dans le cas d'une pièce de commande de la vanne fonctionnant comme élément d'étranglement. Description des variantes de réalisation Les courbes de la figure 1 représentent la pression de la buse, la course de l'électrovanne, les phases d'alimentation de l'électroaimant commandant la vanne de commande ainsi que la course de l'aiguille de la buse; ces différentes courbes sont représentées en fonction de l'angle de l'arbre à came. Le diagramme supérieur à la figure 1 repré- sente la pression en fonction de l'angle 1 de l'arbre à came dans la con- duite 2 du côté de la buse et dans la conduite 37 du côté de la pompe. La montée en pression du côté de la buse suit la montée en pression du côté de la pompe avec du retard du fait de la conduite à haute pression 14. On rencontre un premier maximum dans la conduite 2 du côté de la buse après la préinjection alors qu'après un temps prolongé, la haute pression de la buse se présente dans la zone de la phase d'injection principale 7 selon le diagramme du milieu. Le diagramme du milieu de la figure 1 représente pour le système sans vanne ou soupape d'étranglement, en fonction de l'angle 1 de l'arbre à came, à la fois la course de l'électrovanne (référence 5) et l'alimentation de l'électroaimant 4 actionnant la vanne de commande. Pendant la phase de préinjection 6, l'électroaimant est alimenté pendant une première période ce qui produit la fermeture de l'électrovanne. Après la préinjection, l'électrovanne s'ouvre pour se refermer lors de la nouvelle alimentation de l'actionneur constitué par l'électroaimant, selon la courbe d'alimentation 4 pendant la phase d'injection principale 7. Après cette in- jection principale 7, on coupe l'alimentation de l'électroaimant qui ac- tionne la vanne de commande. La vanne de commande revient dans sa position ouverte au cours de la suite de la course 5. Dans cette zone de la course de l'électrovanne 5, la vanne de commande se trouve dans un état stationnaire, amorti, comme le montre la courbe de la course 5 de l'électrovanne. Le diagramme inférieur de la figure 1 représente la courbe de la course de l'aiguille de buse 9 et de la pression de buse 2. Pour réaliser des préinjections plus petites, l'injecteur com- o0 porte un circuit d'amortissement de l'aiguille de buse. Si pour le système d'injection il est également prévu la fonction d'injection amplifiée, il est à prévoir que suivant l'intensité de l'amortissement, l'aiguille de buse pour l'injection amplifiée séjourne dans une position intermédiaire. Ce diagramme montre qu'après la préinjection, du fait du vidage d'une partie du système de conduite 14 on a une forte chute de pression 8; dans le cas extrême, la pression peut même atteindre le ni- veau zéro ce qui est synonyme de dépression. De ce fait, dans le système de conduite selon l'état de la technique on a le risque d'un effet de cavita- tion qui sollicite brutalement la matière lors de la nouvelle montée en pression par l'implosion des bulles de vapeur qui se sont formées et d'autre part cela retarde la montée en pression dans le système de con- duite 14 (voir figure 2). De ce fait, la séquence d'injection entre la phase de préinjection 6 et la phase d'injection principale 7 sont directement prédé- finies dans leur succession chronologique selon le diagramme du milieu de la figure 1. Le passage à zéro de la pression dans la chambre de buse selon la courbe 2 se poursuit par la phase d'injection principale caractéri- sée par une forte augmentation de la pression dans la chambre de buse. Pendant la phase d'injection principale 7, la course de la buse par rapport à son siège passe par un maximum ce qui permet d'injecter la quantité de carburant dosée en fonction de l'instant d'injection et de la durée d'injection dans la chambre de combustion du moteur. Le début de l'injection principale est caractérisé par une forte oscillation de pression dans la chambre de buse (diagramme inférieur figure 1). La figure 2 montre les composants d'un système d'injection de carburant comprenant une partie de pompe et une vanne de com- mande à actionnement électromagnétique ainsi que la partie de buse d'injection. Selon la figure 2, l'injecteur du système d'injection de car- burant comporte une aiguille 10 dont la partie médiane est entourée par la chambre de buse 11. Le perçage 15 de l'injecteur débouche dans la chambre de buse 11. Ce perçage est relié à la chambre de vanne 18 par la conduite haute pression 14. Dans la zone inférieure de l'aiguille de buse, on a un siège de buse; lorsqu'on atteint une certaine pression dans la buse, l'aiguille 10 s'ouvre et produit l'injection de carburant dans la chambre de combustion du moteur. Cette injection se fait sous la forme d'un cône d'injection 13. La partie supérieure de l'aiguille 10 de la buse comporte un ressort de compression 16 avec un élément pour amortir la course de l'aiguille 38 qui assure la précontrainte de l'aiguille 10 dans son boîtier. La vanne de commande 17 est logée dans la chambre de vanne 18 du boîtier de pompe 27. La conduite de haute pression 14 relie cette chambre à la chambre de buse 11 de la buse d'injection 10. Une ali- mentation 33 reliée à la chambre de pompe 30, 32 du système d'alimentation en carburant est également reliée à cette chambre de vanne. La pièce de commande 19 est traversée dans la direction axiale par un perçage et présente à sa périphérie, au niveau du côté basse pression, un élément d'étranglement 21 ainsi qu'une surface de commande 20 de forme conique. La surface de commande 20 de forme conique s'applique contre une surface du boîtier de pompe 27 formant une arête de com- mande; cette surface se poursuit dans la cavité 26 du boîtier 27 par une zone basse pression. La cavité 26 reliée à la zone d'étranglement 20, 21 de la pièce de commande 19 de la vanne de commande 17 comporte une dé- rivation 28 avec un retour 29 relié au réservoir de carburant. Le retour 29 comporte un court-circuit relié la chambre de pompe 30, 32 pour réduire les fuites d'huile de graissage. Dans la cavité 26 du boîtier de pompe 27 de la vanne de commande 17 il est prévu une butée de vanne en ce qu'un piston passif 22 assure la forme de la courbe d'injection; ce piston est sollicité par un ressort de compression 25. Entre la butée de vanne 24 et le piston passif 22 on a une cavité 23 reliée par un perçage de décharge 26 dans la butée 24 également avec la cavité 26 du boîtier 27 du côté basse pression. Un perçage 36 est relié à la cavité 26 pour le remplissage en carburant; ce perçage est relié à l'extrémité de la vanne de commande 17 du côté de l'électroaimant. Du côté de l'électroaimant de la vanne de commande 17, près de l'électroaimant 35 qui commande la pièce 19, il est également pré- vu un ressort de compression 34 sollicitant la pièce de commande 19 de la vanne 17. La conduite d'alimentation de carburant 31 débouche dans la chambre de la vanne de commande 17 entourant le ressort de compres- sion 34. L'élément d'étranglement en forme d'extension de section de la pièce de commande 19 peut également être réalisé par inversion ciné- matique, sous la forme d'une partie en saillie dans le boîtier 27 de la pompe. L'effet d'étranglement de l'extrémité de la pièce de commande 19 du côté basse pression résulte du fait que l'arête du boîtier de pompe 27 contre laquelle vient la surface de commande 20 constitue une sortie étranglée du carburant à haute pression du côté haute pression, fourni par la conduite de haute pression 14 et la chambre de vanne 18 vers la chambre 26. On évite ainsi que la conduite haute pression 14 vers la chambre de buse 11 ainsi que la chambre 18 de la vanne de commande 17 ne se vident pour éviter les effets de cavitation, ou du moins cette vi- dange est retardée jusqu'à ce que la chambre 18 et la conduite haute pression 14 reçoivent de nouveau du carburant à haute pression dans la séquence d'injection. Le carburant qui arrive dans la cavité 26 du boîtier 27 par effet d'étranglement peut s'écouler par le canal de débordement 36 vers l'extrémité de la vanne de commande 17 du côté de l'électroaimant mais également revenir au réservoir 29 par la dérivation 28 de la chambre 26 et la conduite de retour. La vue de la figure 2.1 est un schéma agrandi de la partie d'étranglement avec la surface de commande appliquée contre cette partie du côté de la sortie. La figure 2.1 montre le siège 43 de la pièce de commande 19 à l'état assemblé dans le boîtier. La vanne 17 est représentée fermée. Si maintenant on ouvre la vanne 17, du fait de l'arête d'étranglement 47, par comparaison à la pièce de commande 19* sans arête d'étranglement, on aura un effet d'étranglement selon la courbe représentée à la figure 2.3. La figure 2.2 montre une pièce de commande 19* sans arête d'étranglement dont la courbe de l'étranglement est représentée également à la figure 2. 3. Pour l'étranglement il existe plusieurs variantes de réalisa- tion par rapport au mode de réalisation de la figure 2.1 Par exemple l'arête du boîtier peut être réalisée sous forme d'élément d'étranglement. En même temps on peut intégrer une forme de vanne ou de boîtier appro- priée, en cascade ou avec des éléments d'étranglement à plusieurs ni- veaux. Les gradins d'étranglement 45, 46 réalisés sur la pièce de com- mande 19 crée un effet d'étranglement dans la direction axiale lors de l'ouverture de la pièce de commande 19. Cet effet étranglement limite le débit du liquide qui s'échappe de sorte que la pression subsistant dans la conduite d'alimentation de l'aiguille de la buse d'injection ne chute pas brutalement mais seulement progressivement. On retient ainsi un niveau de pression résiduel dans la conduite d'alimentation de la buse pénétrant dans la chambre de combustion du moteur, et cette pression reste main- tenue jusqu'à la phase d'injection principale qui fait suite à la phase de préinjection. Comme le niveau de pression dans la conduite d'alimentation de la buse est encore suffisamment élevé, la phase d'injection principale peut suivre directement la phase de préinjection. Cela permet de faire sui- vre la phase d'injection principale à la phase de préinjection en un inter- valle beaucoup plus court que jusqu'alors. Comme la pression dans le i5 perçage d'alimentation de la buse ne descend pas à la pression nulle, on ne risque pas d'effet de cavitation si bien que la matière de la zone du per- çage d'alimentation réalisée dans le corps de la vanne ne risque pas d'être sollicitée. A côté de l'effet d'étranglement représenté en liaison avec la figure 2.1, dans la zone avale de la l'arête de commande 43, 44, entre la chambre de soupape 18 et le boîtier 24 de la pompe, on peut commander le débit dans la zone basse pression de la vanne de commande 17 égale- ment en limitant la course axiale de la vanne de commande 17. La limita- tion de la course axiale se fait par un positionnement approprié d'une surface de butée 14 pour que par venue en appui de la surface frontale contre la surface de butée et ainsi la taille de l'intervalle de sortie annu- laire, on puisse contrôler la chute de pression dans le perçage d'alimentation de la buse d'injection ce qui permet de fixer le débit de sor- tie de carburant à haute pression pour qu'il règne toujours une pression positive dans le perçage d'alimentation. La figure 3 montre les courbes de la pression de la buse, de la course de l'électroaimant, des phases d'alimentation de l'électroaimant de la pièce de commande, la course de l'aiguille de buse lorsqu'on utilise une pièce de commande 19 de la vanne 17 fonctionnant comme élément d'étranglement. Toutes les courbes des paramètres de la vanne de com- mande 17 sont représentées en fonction de l'angle de l'arbre à came 1. Le diagramme du haut montre comme celui de la figure 1, la courbe de pres- sion dans la conduite du côté de la buse (2) et du côté de la pompe (3), chaque fois représentée comme déjà indiqué en fonction de l'angle 1 de l'arbre à came. Le diagramme du milieu représente à la figure 3 les phases d'alimentation de l'électroaimant 35 de la vanne de commande 17 pendant la phase de préinjection 6 et pendant la phase d'injection principale 7. Les phases d'alimentation de l'électroaimant 35 donnent la course 5 de l'électroaimant selon le diagramme de la figure 3 montrant que pendant la phase d'injection principale ainsi que la phase de préinjection 6 de la pièce de commande 19 de la vanne 17 venant en position de fermeture, avant de revenir en position ouverte à la fin de l'injection principale. Le diagramme inférieur de la figure 3 montre la course 9 de l'aiguille en fonction de l'angle i de l'arbre à came et la courbe de la pression de buse 2 dans la chambre de buse 1 1 de l'aiguille 10. Par comparaison avec le diagramme inférieur selon la figure 1, après la phase de préinjection 6, la pression dans le système d'injection de carburant notamment dans la conduite à haute pression 14 et la chambre 18 de la vanne de commande 17 reste à des niveaux positifs même dans sa partie inférieure et n'arrive pas au ni- veau zéro 8 comme à la figure 1. La pression résiduelle dans la conduite à haute pression 14 permet une succession beaucoup plus courte entre la préinjection 6 et l'injection principale 7 car on ne risque ni phénomène de cavitation dans la conduite d'alimentation ni de sollicitation extrêmement élevée des matériaux qui résulte de la cavitation ni encore une montée en pression retardée dans le système de conduite 14. Comme on évite que la courbe de pression 2 de la buse atteint le niveau zéro dans la chambre 11 entourant l'aiguille 10 de la buse, on aura une montée en pression beau- coup plus rapide dans le système de conduite relié à l'aiguille de buse 10 pendant la phase d'injection principale 7. Pendant la phase d'injection principale 7, la courbe de pression de la buse prend une forme essentiel- lement trapézoïdale à laquelle se superpose de légères pulsations de pres- sion dans le diagramme inférieur de la figure 3. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif pour commander la séquence des injections, dans un sys- tème d'injection de carburant comprenant une buse d'injection (10) com- mandée par une vanne de commande (17) recevant du carburant d'une chambre de pompe (30, 32), la vanne de commande (17) étant actionnée par un électroaimant (35) qui influence la course (2) de la vanne de com- mande et libère ou ferme une conduite haute-pression/perçage (14, 18) vers une chambre de buse (11), caractérisé en ce que la pièce de commande (19) de la vanne de commande (17) fonctionne comme un élément d'étranglement (21) dans une chambre (26) du côté basse pression. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un piston (22) donnant le profil d'injection est monté dans la chambre (26) du côté basse pression. 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arête de la chambre (26) du côté basse pression dans le boîtier (27) de la pompe constitue l'arête de commande de la pièce de commande (19, 19*) fonctionnant comme élément d'étranglement (21). 2s 4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effet d'étranglement entre la pièce de commande (19, 19*) et l'arête de commande du boîtier de pompe (27) est soutenu par la force de ressort résultante d'un accumulateur de force (25, 34). ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section d'étranglement de la pièce de commande (19, 19*) de la vanne de commande (17) est conçue pour protéger le système de conduite haute pression (14, 18) vers l'aiguille de buse (10) en évitant sa vidange. 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' entre la phase de préinjection (6) et la phase d'injection principale (7), la courbe de pression (2) de la buse se situe toujours dans la zone de la pression positive. 7 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'étranglement (21) est réalisé sur la paroi du boîtier (27) de la pompe de la vanne de commande (17). 8 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une conduite de carburant (28, 29) dérive de la cavité (26) du boîtier de pompe (27). 9 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce de commande (19, 19*) de la vanne de commande (17) réalise à la fois une phase de préinjection et forme la courbe d'injection. 10 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que des éléments d'étranglement (45, 46) à un ou plusieurs étages sont réali- sés en aval dans la zone des arêtes de commande (43, 44) du boîtier de pompe (27) et de la pièce de commande (19, 19*).