Brevet FR2816366A1 — publié le 20020510

Domaine technique La présente invention concerne un injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un mo- teur à combustion interne et dont la course verticale se fait à travers une s chambre de commande susceptible d'être déchargée en pression, une ali- mentation venant de la chambre collectrice à haute pression débouchant dans une chambre annulaire fermant un organe de l'injecteur, et l'ali- mentation de buse vers la chambre de buse d'une buse d'éjection étant libérée ou fermée par une surface d'étanchéité. Dans les systèmes d'injection actuels de moteur à combus- tion interne à injection directe, il faut que la pression d'injection et la quantité de carburant injectée se fixent indépendamment pour chaque point de fonctionnement du moteur. C'est ainsi que pour former le mé- lange on établit un degré de liberté supplémentaire. Il est de plus deman- dé que la quantité injectée au début de l'injection soit aussi faible que possible pour tenir compte du retard d'allumage qui s'établit. Ces exigen- ces sont prises en compte actuellement par les systèmes d'injection à chambre collectrice à haute pression ou système à rampe commune. Etat de la technique Le document DE 198 35 494A1 concerne une unité pompe/buse. Cette unité sert à l'alimentation carburant de la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injection directe. Il est prévu une unité de pompe qui établit la pression d'injection. Le carburant est injecté par un injecteur dans la chambre de combustion et l'unité pompe/buse comporte une unité de commande ainsi qu'une pièce de commande. La pièce de commande est une soupape de type A s'ouvrant vers l'extérieur et Elle est commandée par une unité d'actionnement sou- pape pour commander la montée en pression dans l'unité de pompe. Pour réaliser une unité de pompe - buse avec une unité de commande qui soit de construction simple, peu encombrante et dont le temps de réponse est particulièrement court, l'invention propose un injecteur caractérisé en ce que l'unité d'actionnement de la soupape est un actionneur piézoélectri- que. Le document DE 37 28 817 C2 concerne une pompe d'in- jection de carburant d'un moteur à combustion interne. Cette pompe comprend une partie de pression pour appliquer la pression au carburant; il est également prévu une partie de buse pour injecter (éjecter) le carbu- rant mis en pression et une pièce de commande entre la pièce de pression et la pièce de buse. La pièce de commande combine une conduite d'ali- mentation en carburant reliant la pièce de pression à la pièce de buse. Son extrémité est réalisée sous la forme d'un perçage de commande qui devient une ouverture reliée à un canal de retour de carburant. Le canal comporte un organe de soupape de commande mobile par l'intermédiaire d'un dispositif d'actionnement électrique entre une position d'ouverture dans laquelle la conduite d'alimentation en carburant et le canal en retour de carburant sont reliés par le perçage de commande et une position de fermeture dans laquelle le perçage de commande est fermé. L'installation d'actionnement comprend un élément piézoé- lectrique de longueur réglable relié à un piston d'entraînement dont la surface frontale libre sépare une surface frontale, considérablement plus petite, d'un poussoir d'entraînement à commande mécanique par une ca- vité remplie de carburant incompressible, en étant situé à l'opposé, de manière séparée. Le poussoir d'entraînement comporte un passage reliant la cavité au canal de retour de carburant. Ce passage est muni d'un clapet anti-retour qui ferme le passage lorsque la pression dans la cavité dépasse la pression dans le canal de retour de carburant; cette soupape ouvre le passage si la pression dans la cavité est inférieure à la pression dans le canal de retour de carburant. Il est en outre connu de former la courbe d'injection en pré- voyant des points d'étranglement distincts, déterminés, pour rapprocher la courbe d'injection de la forme triangulaire idéale. Pour cela on influence toutefois d'une part la course et d'autre part on prévoit en plus des points d'étranglement séparés sur l'injecteur. Exposé de l'invention La présente invention concerne un injecteur du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'un ressort hydraulique est associé à l'organe de l'injecteur, ce ressort comportant un élément de fin de com- mande qui est sollicité par une haute pression par l'intermédiaire du vo- lume du ressort hydraulique et par l'alimentation venant de la chambre à haute pression. La solution selon l'invention permet de concevoir un injec- teur pour injecter du carburant à pression élevée dans la chambre à com- bustion d'un moteur à combustion interne pour avoir une courbe de pression de forme triangulaire sans influencer de manière négative la pression par un point d'étranglement particulier. Le ressort hydraulique est intégré dans le boîtier de l'injec- teur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne pour qu'une face frontale supérieure de l'organe de l'injecteur et une surface aient un élément de fin de commande, juxtaposé, constituent les surfaces limites du volume de commande du ressort hydraulique. De plus à l'extrémité opposée de l'élé- ment de fin de commande ainsi que dans une chambre de soupape qui entoure l'organe de l'injecteur, il règne toujours la haute pression de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune). Suivant la sur- io face de la section de l'élément de fin de commande, on tient compte des pressions différentes régnant dans la chambre collectrice à haute pression de sorte que notamment pour les courses importantes de l'organe de l'in- jecteur et de l'aiguille de l'injecteur, on a une fin de régulation par rapport à la haute pression. La conception du ressort hydraulique du point de vue du volume de commande et du diamètre hydraulique efficace au niveau de l'organe de l'injecteur permet d'influencer la rigidité de même que la force du ressort hydraulique. Entre le téton de la surface de l'organe de l'injec- teur qui pénètre dans le ressort hydraulique et la chambre de commande qui commande le mouvement vertical de l'organe de l'injecteur, il est prévu un piston. Celui-ci transmet son mouvement vertical lors des variations de pression dans la chambre de commande correspondant à l'organe de l'in- jecteur. Le diamètre du téton, le diamètre efficace du piston de l'organe de l'injecteur coulissant verticalement dans le boîtier de l'injecteur influen- cent la rigidité et la force du ressort développées par l'élément de ressort hydraulique. L'élément de fin de commande peut être réalisé d'une ma- nière particulièrement simple du point de vue de la technique de fabrica- tion sous la forme d'un piston de fin de commande dont la section hydraulique influence de manière déterminante le comportement de ver- rouillage pour des courses importantes de l'aiguille de l'injecteur du point de vue de la pression régnant dans la chambre collectrice à haute pres- sion. Dessin La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'un injecteur représenté dans l'unique figure annexée qui montre une coupe longitudinale d'un boîtier d'injecteur avec un organe d'injecteur et un piston de commande, superposés, ainsi qu'un volume de commande fonctionnant comme un ressort hydraulique. Selon la figure unique, dans la vue schématique, on a re- présenté un injecteur 1 pour injecter du carburant à pression élevée dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion d'un moteur interne comportant essentiellement un boîtier d'injecteur 2 et un organe d'injec- teur 15 mobile dans celui-ci dans la direction verticale. Coaxialement, l'axe de symétrie de l'organe d'injecteur 15 cylindrique et dans un piston 4 coopérant avec celui-ci on a une chambre collectrice à haute pression 3 (rampe commune) ayant deux branches. Au-dessus de l'organe 15 de l'in- jecteur logé dans le boîtier de l'injecteur se trouve un piston 4 logé dans le boîtier de l'injecteur. Une surface de commande du piston 4 pénètre dans une chambre de commande 5 qui reçoit un volume de commande de car- burant à haute pression de la chambre collectrice à haute pression 3 par une entrée 6 dans la chambre de commande. La chambre de commande 5 est toujours à une pression élevée venant de la chambre collectrice à haute pression 3. Par un orifice de décharge 7 suivi d'un organe d'étran- glement de sortie 8, on peut décharger la pression du volume de com- mande dans la chambre de commande 5. Pour cela, à l'aide d'un distributeur de commande à 2/2 voies 9, non détaillé, on réduit la force agissant sur un élément en forme de bille 10 dans la direction de la flèche 12. L'actionneur agissant sur l'élément d'étanchéité par exemple réalisé sous la forme d'une bille 10 peut être une soupape magnétique ou un ac- tionneur piézoélectrique ou un moyen analogue. En commandant l'action- neur ou la soupape magnétique on réduit la force agissant sur l'élément d'obturation en forme de bille 10 pour libérer le siège d'étanchéité 11 et décharger en pression la chambre de commande 5. Du fait de la décharge en pression de la chambre de commande 5, le piston 4 qui pénètre dans celle-ci par sa face frontale, vient en saillie vers le haut dans la direction verticale. Sous la face frontale qui pénètre dans la chambre de commande , à l'opposé de cette face frontale, il est prévu une chambre de fuite 13 avec une conduite de fuite 25 reliée à la soupape 27. Coaxialement au piston 4 le boîtier de l'injecteur 1 loge un téton 14 porté par la face frontale de l'organe 15 de l'injecteur. Le téton 14 est en contact avec le piston 4 et traverse un ressort hydraulique 16 au- dessus de la surface de piston 18. Le diamètre du téton 14 au-dessus de l'organe 15 de l'in- jecteur défini comme le diamètre de l'organe 15 de l'injecteur au niveau de la face frontale 18, la surface hydraulique est efficace. Le volume de com- mande 17 reçu dans le boîtier de l'injecteur 1 est délimité de plus par une surface de piston 24 réalisée sur un élément de fin de commande 23 d'un parallèle à l'organe 15 de linjecteur ou au téton 14. Le ressort hydraulique 17 peut être déchargé en pression par une soupape 27 qui n'est repré- sentée que schématiquement. Le dispositif de soupape 27 ferme une con- duite de liquide de fuite 25 débouchant elle-même de la chambre de liquide de fuite 13 en venant du dessous du piston 4 sur le poussoir de soupape 28. Le poussoir de soupape 28 muni d'une coupelle est précon- traint par un ressort spiral et est poussé par la pression régnant dans le volume 17 du ressort hydraulique 16 dans sa position de fermeture. Sous l'élément de fin de commande 23 se trouve également une branche reliée à la conduite de liquide de fuite 25 ainsi qu'une cham- bre de fin de commande 26 reliée par un perçage du boîtier de l'injecteur 1 à une chambre de soupape 19 entourant l'organe 15 de l'injecteur. La chambre de soupape 19 entourant l'organe 15 de l'injecteur est reliée par un perçage 20 à la chambre collectrice à haute pression 3 de sorte que il règne toujours la pression de la chambre collectrice à haute pression 3 dans la chambre de fin de commande 16. Comme cette pression varie on veille à ce que le ressort hydraulique 16 soit verrouillé pour les courses importantes de l'organe d'injecteur 15 ou de l'aiguille de buse 40 par rap- port à la pression régnant dans la chambre collectrice à haute pression 3. Pour cela, le diamètre du piston de fin de commande servant d'élément de fin de commande 23 est conçu pour qu'à partir d'une certaine course de l'aiguille d'injecteur 40, la pression régnant dans la chambre collectrice à haute pression 3 soit verrouillée. Sous la chambre de soupape 19 qui entoure l'organe 15 de l'injecteur, celui-ci comporte un gradin de pression 30. Le gradin de pres- sion 30 comporte une surface d'étanchéité 22 coopérant avec un siège d'étanchéité réalisé dans le boîtier et libérant ou fermant l'alimentation de buse 35 vers la chambre de buse 41 de la buse d'éjection 42. L'alimenta- tion de buse est réalisée sous la forme d'un perçage dans le boîtier de l'in- jecteur 1; ce perçage est sensiblement parallèle à l'axe de symétrie de l'organe 15 dans le boîtier de l'injecteur 1. Sous l'embouchure de l'ali- mentation de buse 35 dans le boîtier de l'injecteur se trouve une autre chambre annulaire 33 reliée à la conduite de liquide de fuite. En commandant l'ouverture de l'organe de soupape 15 par la décharge en pression de la chambre de commande 5 par la commande de l'actionneur agissant sur le distributeur de commande à 2/2 voies, à l'aide d'un tiroir 32 et qui coopère avec l'arrête de commande 31 du boî- tier, on décharge l'alimentation de buse 35 dans la commande de fuite 25 par la chambre annulaire 33. Sous la chambre annulaire 33, le boîtier de l'injecteur comporte une autre chambre de liquide de fuite ainsi qu'un élément d'appui en forme de rondelle muni d'un perçage central 37. Le disque 36 monté dans le boîtier de l'injecteur délimite une cavité 34 défi- nie par une pièce de poussée de forme conique. Contre le disque 36 et la pièce de poussée 39 de forme conique se trouve un ressort d'étanchéité en forme de ressort spiral. Ce ressort sollicite l'élément de forme conique 39 de manière permanente avec une force précontrainte. L'élément 39 de forme conique est lui-même en contact avec la surface frontale de l'aiguille de buse ou aiguille d'injecteur 40. L'aiguille de buse 40 dont la longueur de la vue de la figure 1 est fortement réduite, est entourée sensiblement au milieu de sa longueur par une chambre de buse 41. Dans cette cham- bre débouche la conduite d'alimentation de buse 35 qui libère ou ferme le siège d'étanchéité 21, 22 de l'organe 15 de l'injecteur. L'embouchure de la conduite d'alimentation de buse 35 dans la chambre de buse 41 porte la référence 45. Lorsque la chambre de buse 41 est mise en pression par le carburant qui arrive, le carburant s'écoule le long de l'aiguille de buse 40 en direction de la buse d'injection 42. L'aiguille 40 de la buse d'injection (ou éjection) 42 comprend une surface formant siège 43 qui reproduit un mouvement de remontée des composants lors du mouvement vertical de l'aiguille de buse 40 par le mouvement vertical de l'organe 15 de l'injecteur ou du téton 14, provoqué par la décharge en pression de la chambre de commande 5. Le siège 43 de la buse d'éjection 42 est ainsi libéré de sorte que le volume de carburant à pression élevée de la chambre de buse 41 est dosé de manière correspondante pour être injecté par l'ouverture 44 dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne. En entretenant le ressort hydraulique 16 dans la chambre de liquide de fuite 13 et dont le volume de commande est délimité par la surface active 18 de l'organe 15 de l'injecteur et par la surface du piston 24 de l'élément de fin de commande 23, on peut créer une compensation de force en relaxation. A l'ouverture du distributeur à 2/2 voies 9 par l'ac- tionnement de l'actionneur 12 contre sa direction d'action, on peut rece- voir les forces hydrauliques agissant sur l'organe 15 de l'injecteur pendant la phase d'ouverture, ces forces étant de nature dynamique. Les forces de circulation agissant sur l'organe 15 de l'injecteur pendant la phase d'ou- verture peuvent produire une ouverture spontanée de l'injecteur 15 con- trairement à l'ouverture prédéterminée si bien qu'une quantité importante de carburant peut arriver dans la chambre de combustion du moteur, bien qu'au début de l'injection il soit prévu de doser une faible quantité de carburant à haute pression dans la chambre de combustion, pour tenir compte du retard de l'allumage. Le ressort hydraulique peut traiter ce problème d'ouverture spontanée de l'organe d'injecteur 15 par la solution selon l'invention. Suivant la conception de l'élément de fin de commande 23 qui est réalisé de préférence comme un piston de fin de commande, pour certaines courses prédéterminées de l'aiguille de buse ou d'injecteur 40 on peut déterminer la régulation de la pression régnant dans la chambre col- lectrice à haute pression 3. La pression qui règne dans cette chambre col- lectrice à haute pression 3 peut prendre des niveaux différents et cette pression est appliquée en permanence par l'intermédiaire de l'entrée 20 venant de la chambre à haute pression dans le volume annulaire 19 en- tourant l'organe 15 de l'injecteur et ainsi cette pression est appliquée en continu dans la chambre de commande 26 sur l'élément de fin de com- mande 23. Le ressort hydraulique qui travaille sans relaxation peut limiter les mouvements d'ouverture spontanée de l'organe de l'injecteur 15 dans le boîtier 2 pour toujours garantir que l'aiguille 40 de l'injecteur s'ouvre suffisamment pour que par exemple au début de l'injection une quantité de carburant dosée de manière précise et tenant compte du retard de l'al- lumage soit injectée dans la chambre de combustion du moteur. Dans la variante de réalisation de la figure 1 de l'injecteur 1 selon l'invention, lors de la décharge de pression de la chambre de commande 5, la pression ré- gnant dans la chambre collectrice à haute pression sera appliquée au piston 4 sorti et à l'organe d'injecteur 15 soulevé dans la direction verti- cale, contre le siège d'étanchéité 21, 22, l'alimentation de buse 35 et ainsi la chambre de buse 41 entourant l'aiguille de buse 40. L'aiguille de buse s'ouvre à partir d'une certaine pression préréglée de sorte que le vo- lume de carburant à haute pression de la chambre de buse 41 est injecté dans la chambre de combustion du moteur. A l'aide du ressort hydraulique 16 entre l'organe 15 de l'in- jecteur et le piston 14 on garantit l'amortissement efficace des pulsations de pression qui peuvent aboutir à des sur-oscillations de l'organe 15 de l'injecteur dans le boîtier. Comme le ressort hydraulique a un comporte- ment d'amortissement sans relaxation, la configuration choisie permet de réaliser un équilibre des forces appliquées sur l'organe 15 de l'injecteur lorsque celui-ci est ouvert. L'équilibre des forces appliquées au corps de l'injecteur réduit considérablement les tensions mécaniques agissant sur cette pièce ce qui améliore de manière importante sa durée de vie par une s meilleure fiabilité de cette pièce. L'injecteur selon l'invention constitue un système de cons- truction simple pour réaliser une courbe de pression essentiellement triangulaire sans que cette courbe de pression ne soit influencée par un organe d'étranglement particulier. L'existence d'organes d'étranglement particuliers et difficiles à fabriquer influence toujours de manière défavo- rable la courbe de pression car en pratique les pertes de pression au ni- veau de la buse d'injection 42 sont inévitables. Pour être complet on remarque que la soupape de com- mande ou distributeur de commande à 2/2 voies 9 qui assure une modifi- cation du volume de carburant reçu dans la chambre de commande 5 peut être constituée par une soupape magnétique ou un actionneur piézo- électrique à faible temps de réponse. On peut également envisager des combinaisons d'un actionneur piézoélectrique et une soupape magnétique pour actionner cette soupape de commande ou distributeur de commande à 2/2 voies. REVENDICATIONS 1 ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne et dont la course verti- cale se fait à travers une chambre de commande (5) susceptible d'être dé- s chargée en pression, une alimentation (20) venant de la chambre collectrice à haute pression (3) débouchant dans une chambre annulaire (19) fermant un organe (15) de l'injecteur et l'alimentation de buse (35) vers la chambre de buse (41) d'une buse (A) d'éjection (42) étant libérée ou fermée par une surface d'étanchéité (22) caractérisé en ce que un ressort hydraulique (16) est associé à l'organe (15) de l'injecteur, ce ressort comportant un élément de fin de commande (23) qui est sollicité par une haute pression par l'intermédiaire du volume (14) du ressort hy- draulique (16) et par l'alimentation (20, 19, 26) venant de la chambre à haute pression. 2 ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé par un élément de piston (4) au-dessus du ressort hydraulique (16), cet élé- ment de piston étant appliqué contre un téton (14) de l'organe (15) de l'in- jecteur et induit le mouvement vertical lors d'une variation de pression dans la chambre de commande (5) dans l'organe (15) de l'injecteur. 3 ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces actives (28, 18) de l'élément de fin de commande (23) et de l'organe (15) de l'injecteur constitue les surfaces limites du volume (17) du ressort hydraulique (16). 4 ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort hydraulique (16) est déchargé en pression par une soupape (27) pour le liquide de fuite (25). ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon revendication 1, caractérisé en ce qu' on influence la rigidité du ressort hydraulique (16) par la surface de piston (18) de l'organe (15) de l'injecteur et le volume (17). 6 ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation à haute pression (19, 20, 26) est verrouillée en fonction de la course de l'aiguille de buse (40) suivant la surface de la section (24) de l'élément de fin de commande (23). 7 ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (15) de l'injecteur comporte un gradin de pression 30 au niveau de la chambre de soupape (19). 8 ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de commande (5) et la chambre de soupape (19) du boîtier de l'injecteur (1) sont reliées à la chambre collectrice à haute pression (3) . 9 ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon les revendications 1 et2, caractérisé par une chambre de liquide de fuite sous le piston (4), cette chambre étant reliée au ressort hydraulique (16) par une conduite de liquide de fuite (25) et par une soupape (27) au ressort hydraulique (16). ) Injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la cham- bre de combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la soupape de commarnde ou distributeur de commande 2/2 voies (9) est actionnée par une soupape magnétique ou un actionneur piézoélectrique.