Brevet FR2811027A1 — publié le 20020104

Domaine technique Dans les injecteurs destinés à injecter une quantité parfai- tement dosée de carburant à une pression extrêmement élevée dans les chambres de combustion de moteurs à combustion interne, les pièces de commande coulissantes dans le boîtier de l'injecteur sont réalisées sous la forme de tiroirs de fuite situés du côté du carburant de fuite; ces tiroirs nécessitent un guidage précis dans le boîtier. Le guidage précis des tiroirs de fuite dans le boîtier de l'injecteur exige des tolérances de fabrication élevées pour permettre d'assurer une étanchéité satisfaisante du côté du carburant de fuite. De plus au niveau des tiroirs de fuite réalisés sur les pièces de commande, on a des chevauchements brefs. Comme les pres- sions de fonctionnement sont de plus en plus élevées, notamment dans l'application des injecteurs à des chambres collectrices à haute pression (rampe commune), il faut que les injecteurs et leurs composants résistent à de telles pressions élevées. Etat de la technique Le document DE 198 35 494 A1 concerne une unité pompe- buse. Cette unité pompe-buse sert à l'alimentation en carburant d'un moteur à combustion interne à injection directe dans la chambre de com- bustion. L'unité de pompe réalise une pression d'injection et permet d'injecter le carburant par la buse d'injection dans la chambre de com- bustion; elle dispose d'une unité de commande avec une soupape de commande. La soupape de commande est de type A, s'ouvrant vers l'extérieur. Il est en outre prévu une unité d'actionnement de soupape pour commander la montée en pression dans l'unité de pompe. Pour créer une unité pompe-buse avec une unité de commande de construction sim- ple, peu encombrante et dont le temps de réponse est particulièrement court, l'invention propose de réaliser l'unité d'actionnement de la soupape sous la forme d'un actionneur piézo-électrique dont les temps de réponse sont beaucoup plus courts que ceux par exemple d'un électro-aimant. Le document DE 37 28 817 C2 concerne une pompe d'injection de carburant pour un moteur à combustion interne. La pompe d'injection de carburant comporte un organe de soupape de commande formé d'une tige de soupape constituant un manchon de guidage et glis- sant dans un canal et une tête de soupape tournée vers l'installation d'actionnement et reliée à la tige. Sa surface d'étanchéité coopère avec la surface du perçage de commande constituant le siège de soupape; la tige de soupape présente à sa périphérie une cavité. L'extension axiale de la cavité s'étend de l'embouchure de la conduite d'alimentation en carburant jusqu'au début de la surface d'étanchéité à la tête de la soupape et coo- père avec le siège de soupape. La cavité possède une surface exposée à la pression de la conduite d'alimentation en carburant; cette surface 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. A l'état fermé de la soupape il s'établit ainsi un état d'équilibre de pression; dans le manchon de guidage, un élément de ressort sollicite la soupape de commande en direction de sa position d'ouverture. Exposé de l'invention L'utilisation d'éléments de fermeture en forme de billes dans les boîtiers d'injecteur pour des injecteurs injectant du carburant à haute pression ainsi que d'éléments de soupape du côté du carburant de fuite et de pièces de commande pour libérer ou fermer l'alimentation de la buse permettent des courses courtes. Les organes de commande de soupape en forme de billes sont des pièces selon la norme DIN; elles constituent des pièces très avantageuses, car elles existent dans une répartition de dia- mètres de l'ordre du micron et sont ainsi disponibles comme pièces du marché, dans n'importe quelle dimension. Grâce à leur forme géométri- que, elles résistent aux pressions les plus élevées et leur usinage de sur- face correspond à la qualité la plus élevée. Lorsque l'élément de commande de soupape en forme de bille est utilisé du côté du carburant de fuite comme soupape de fuite à la place d'un tiroir de fuite, on réalise des courses minimales; cela raccour- cit de manière significative la phase pendant laquelle l'arrivée de carbu- rant à partir de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) n'est pas encore fermée et la sortie de fuite pour la décharge de pression de la buse d'injection est déjà ouverte. Ce chevauchement des phases d'ouverture peut être influencé avantageusement si la course de soupape hi de la pièce de commande, par exemple réalisée sous la forme d'un pis- ton de commande, est plus grande que la course de la soupape de fuite h2 qui se règle sur l'élément de fermeture en forme de bille. Cela peut se réa- liser par un élément de ressort de dimensions appropriées introduit dans le corps de soupape. Par un montage adéquat de l'élément de fermeture de forme sphérique sur un goujon de pression prévu de manière fixe dans le boîtier de l'injecteur, on peut déplacer la pièce de commande par rapport à l'élément de fermeture en forme de bille, sollicité par un élément de pré- contrainte, pour lui permettre de monter et de descendre verticalement. Dans cette application, grâce à des organes de commande de soupape ser- vant de sièges de soupape, en forme de billes, sollicités par un ressort, on réalise des avantages significatifs du point de vue de la course, par com- paraison avec les variantes de pièces de commande à tiroirs de fuite. L'utilisation d'une soupape à siège en forme de bille qui peut être sollicitée par un piston étagé, réalisé comme pièce de commande, permet d'utiliser comme corps de soupape également des billes selon la norme DIN fabriquées selon un échantillonnage avec une répartition de l'ordre du micron et qui constituent des composants peu coûteux. L'utilisation d'un organe de commande en forme de bille permet de réaliser la pièce de commande en deux parties, ce qui offre les avantages du posi- tionnement de la sortie du carburant de fuite pour la décharge en pression de la buse d'injection. Pour la décharge en pression de la chambre de commande alimentée en carburant à pression élevée constituant un vo- lume de commande par l'intermédiaire de l'organe d'étranglement d'alimentation, on prédétermine sur le corps de commande en forme de bille constituant un siège de soupape, pour une course minimale, un do- sage précis de la quantité à injecter, par l'arrivée de la buse, dans le vo- lume de buse qui entoure l'aiguille de la buse. L'utilisation d'un piston de commande étagé pour agir sur le corps de soupape en forme de bille permet d'utiliser un étage de diamètre de cette pièce essentiellement à symétrie de rotation, comme tiroir de commande de fuite, car dans le cas présent, cette pièce est d'une fabrica- tion particulièrement simple. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un injecteur dont la soupape d'huile de fuite du côté de la sortie est réalisée par un corps de sou- pape en forme de bille, sollicité par un ressort et logé dans une pièce de commande mobile verticalement, - la figure 2 est une coupe longitudinale d'un injecteur dont l'unité de commande est formée d'un piston de commande étagé et d'un organe de commande en forme de bille appliqué contre celui-ci. Description des modes de réalisation La figure 1 montre une coupe longitudinale d'un injecteur dont la soupape d'huile de fuite du côté de la sortie est constituée par un corps de soupape en forme de bille, sollicité par un ressort et logé dans une pièce de commande mobile verticalement. L'injecteur selon l'invention comprend un boîtier 2 dont le perçage loge une pièce de commande à symétrie de rotation, par exemple en forme de piston de commande. En regard de la face frontale supérieure de la pièce de commande 3 se trouve une chambre de commande 9. A l'extrémité supérieure de la chambre de commande 9 se trouve un organe d'étranglement de sortie 8 qui peut être fermé ou libéré par un élément de fermeture ou d'obturation 4. L'élément de fermeture 4 peut être réalisé sous la forme d'un actionneur piézo-électrique ou d'un électro-aimant ou encore d'un convertisseur mécanique/hydraulique; il sollicite par exemple un élément d'étanchéité 6 en forme de bille par une force correspondant à la direction de la flèche 5. L'élément d'étanchéité 6 est ainsi poussé contre le siège d'étanchéité 7 et ferme le volume de commande contenu dans la chambre de commande 9. Le volume de commande de la chambre 9 est fourni en continu par un perçage 11 réalisé dans la pièce de commande 3 (avec un diamètre d2) pour recevoir du carburant à haute pression. Dans la paroi de la pièce de commande 3 se trouve un organe d'étranglement d'alimentation 12 sous la forme d'un perçage traversant; cet organe d'étranglement permet au carburant venant de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) de passer dans la chambre de la sou- pape entourant de la pièce de commande 3 et d'arriver par l'intermédiaire de l'organe d'étranglement d'alimentation 12 et du perçage 1 1 dans la chambre de commande 9. La pièce de commande 3 (qui est réalisée ici sous la forme d'un élément de piston avec des diamètres différents d2, dl) est munie d'un cylindre fretté 15, qui délimite une cavité réalisée dans la pièce de commande 3. Cette cavité loge un élément de ressort 17 en forme de res- sort hélicoïdal, appliqué par une face contre la surface frontale du cylindre fretté 15 et par sa face opposée contre un élément d'appui 18 en forme de disque. Le ressort d'étanchéité 17 et le disque 18 poussent un organe de commande 19 en forme de bille contre un goujon de pression 20 qui s'appuie de manière fixe dans le boîtier 2 de l'injecteur 1. De part et d'autre du goujon de pression 20, on a un canal annulaire débouchant dans une chambre de fuite 26 sous la pièce de commande 3 en forme de piston et de cette chambre, l'huile de fuite (c'est-à-dire le carburant) passe dans la cavité 28. La cavité 28 loge un ressort de buse 27 qui s'appuie d'un côté contre le boîtier 2 de l'injecteur 1 et de l'autre côté contre la surface frontale 31 d'une aiguille de buse 29 encore appelée aiguille d'injecteur. Une conduite de fuite 30 est reliée à la cavité 28 du boîtier 2 de l'injecteur 1; cette conduite retourne le courant de fuite sortant de la chambre 26 ou de la chambre de buse non représentée, vers le réservoir de carburant du véhicule. Dans le boîtier 2 de l'injecteur 1, sous la chambre à sou- pape 14 se trouve l'embranchement d'une chambre à buse non représen- tée, ici d'une buse d'injection. Cette chambre est reliée à l'alimentation 25 de la buse. Celle-ci débouche dans un perçage prévu dans le boîtier, de diamètre 24 (correspondant au diamètre dl) dans le boîtier 2 de l'injecteur 1. La référence 23 désigne le diamètre d2 de la tête de la pièce de com- mande 3 par laquelle la pièce de commande 3 est guidée dans le boîtier 2 de l'injecteur 1. Lorsqu'on actionne l'élément de fermeture 4, c'est-à-dire lorsqu'on évacue la pression de la chambre de commande 9, le volume de la chambre de commande passe par l'organe d'étranglement de sortie 8 en s'échappant ce qui permet le mouvement de remontée de la surface fron- tale 10 de la pièce de commande 3 dans la chambre de commande sur une hauteur hi. La pièce de commande 3 remonte ainsi verticalement. Ce mouvement ouvre la chambre de soupape 14 dans laquelle débouche l'alimentation 13 venant de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) si bien que du carburant à haute pression arrive par l'alimentation de buse 25 à la buse d'injection. En même temps, la force de poussée appliquée par l'élément de ressort 17 et le disque 18 sur l'organe de commande 19 en forme de bille, diminue du fait que la surface frontale 10 de la pièce de commande 3 pénètre dans la chambre de com- mande 9. L'organe de commande 19 en forme de bille se soulève de sa surface formant siège par exemple d'une hauteur h2 (référence 21) si bien qu'une faible quantité d'huile de fuite peut passer à travers le perçage transversal de la pièce de commande 3 dans la chambre de commande 26. Le mouvement de soulèvement h2 de l'organe de commande 19 en forme de bille est beaucoup plus faible que le mouvement vertical de la surface frontale 10 de la pièce de commande 3 dans la chambre de commande 9. Par un dimensionnement approprié de l'élément d'étanchéité 17 et par la sélection correspondante de la taille de l'organe de commande 19 en forme de bille, on peut régler le paramètre de la course de soulèvement h2 pour que le mouvement de soulèvement de l'élément de fermeture en forme de bille servant de soupape de fuite soit considérablement plus faible que le mouvement de soulèvement global qui s'établit pour l'élément de commande 13 de forme cylindrique lors du mouvement de remontée qui se produit lors de la décharge en pression de la chambre de commande 9 et correspond à la course hi également dési- gnée par la référence 22. Lorsque l'élément de fermeture 4 commandé par un action- neur ferme de nouveau l'organe d'étranglement de sortie 8, il s'agit une pression dans la chambre de commande 9 qui fait rentrer la surface fron- tale 10 de la pièce de commande 3 dans le perçage 23 du boîtier. Le cylin- dre 15 fretté, l'élément de ressort 17 et la surface d'appui en forme de disque 18 poussent alors l'organe de commande 19 contre son siège jus- qu'à ce qu'il soit de nouveau appuyé contre la surface du goujon de pous- sée 20. Si la pièce de commande 3 continue à pénétrer dans le perçage 23 du boîtier, cela se traduit par la poursuite de la compression de l'élément de ressort de compression 17 et l'ouverture de la chambre de fuite 26; ainsi l'alimentation de buse 25 est déchargée par le perçage transversal de la pièce de commande 3 et l'intervalle ouvert suivant la course de soulè- vement h2 (référence 21) à travers le canal annulaire au niveau du goujon de poussée 20, vers la chambre de fuite 26. Ainsi à la fermeture de la pièce de commande 3, on réalise la décharge de la buse d'injection. Dans ce cas également, la course de soulèvement h2 à régler, lors de l'arrivée de l'organe de commande 19 sur la surface d'appui du goujon de poussée 20 est choisie inférieure à la course de soulèvement hi de la pièce de com- mande 3 lors de la sortie du volume de carburant de la chambre de com- mande 9. Selon une autre variante de la solution selon l'invention à la figure 2, on a représenté en coupe longitudinale un injecteur dont l'unité de commande est formée d'un piston de commande étagé et d'un organe de commande en forme de bille, appliqué contre celui-ci. L'injecteur 1 comprend un boîtier d'injecteur 2 dans lequel est logée une pièce de commande 3 en forme de piston à segments étagés. La chambre de commande 9 est réalisée dans le boîtier 2 de l'injecteur 1. Cette chambre peut être déchargée en pression par l'intermédiaire d'un organe d'étranglement de sortie 8. Pour cela, il est prévu une cavité reliée à la conduite de fuite 30. Le siège d'étanchéité 7 de cette cavité peut être libéré ou fermé par un élément de fermeture 6 en forme de bille. L'élément de fermeture ou d'étanchéité 6 (réalisé ici sous la forme d'une bille) peut être sollicité selon la flèche 5 par un actionneur par exemple un action- neur piézo-électrique ou un électro-aimant, dans la direction d'action de l'actionneur pour fermer le siège d'étanchéité 7. Dans la zone centrale du boîtier 2 de l'injecteur, il est prévu une alimentation 13 à partir de la chambre collectrice à haute pression; de cette alimentation 13 dérive une conduite allant vers un organe d'étranglement d'alimentation 12. Cette conduite débouche dans une chambre de commande 9 prévue dans le boîtier 2 de l'injecteur 1. L'organe d'étranglement d'alimentation 12 assure la présence continue d'un volume de commande dans la chambre de commande 9. La surface frontale 10 pénètre dans la chambre de commande 9; cette surface frontale corres- pond à l'extrémité de la tête de diamètre di de la pièce de commande 3. La pièce de commande 3 est mobile verticalement dans un perçage 24 du boîtier. Un goujon de poussée 32 est appliqué contre la pièce de com- mande 3 comme le montre la figure 2; ce goujon a une zone rétrécie en- tourée par un élément de ressort 17. Une extrémité du goujon de poussée 32 pénètre dans la chambre de soupape 14, elle est munie d'une surface d'appui 33 arrondie, qui entoure en partie l'organe de commande 19 formé par une bille. A l'aide du goujon de poussée 32, le corps de commande 19 en forme de bille est poussé contre sa surface formant siège 36 dans laquelle, suivant le diamètre du siège 37, il ferme la chambre de soupape 14 pour le carburant à haute pression, venant de l'alimentation 13 de la chambre collectrice à haute pression. Un perçage transversal relie la chambre de soupape 14 à une alimentation de buse 25; cette alimenta- tion de buse 25 comprend en même temps un autre perçage transversal qui débouche dans une chambre de fuite 26 prévue au-dessus du premier perçage transversal. La chambre de fuite 26 entoure de manière annulaire la zone du goujon de poussée 32 réalisé sous la forme d'un tiroir de fuite 34. Le perçage transversal supérieur déjà évoqué ci-dessus de l'alimentation de buse 25 débouche dans la chambre de fuite 26. De plus dans la zone du prolongement rétréci au niveau du piston de poussée 32, un perçage transversal relie la chambre de fuite 26 à la conduite de fuite 30. Dans cette variante de réalisation, le goujon de poussée 32 dont la surface ar- rondie 33 entoure l'organe de commande en forme de bille, fonctionne comme tiroir de fuite. Sous l'alimentation 13 latérale venant de la cham- bre collectrice à haute pression (rampe commune), il est prévu une autre cavité 28 également réalisée dans le boîtier 2 de l'injecteur 1. La cavité 28 reçoit d'une part un élément de ressort 27 s'appuyant contre la surface frontale de la cavité cylindrique 28. L'autre extrémité de l'élément de res- sort 27 s'appuie contre la surface frontale 31 d'une aiguille de buse (ai- guille d'injecteur) 29 dont l'extrémité inférieure est entourée par une chambre de buse 35; cette extrémité comporte une pointe débouchant dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne. La con- duite de fuite 30 part de la cavité 28 du boîtier 2 de l'injecteur 1. Cette conduite communique avec la zone supérieure de la conduite de fuite 30 selon la figure 2, par une liaison non représentée. Selon cette variante de réalisation, lorsque la chambre de commande 9 est déchargée en pression, la surface frontale 10 de la pièce de commande 3 en forme de piston, pénètre dans celle-ci par l'actionnement de l'élément actionneur 4. Cela se traduit par un mouve- ment de remontée vertical du piston ou goujon de poussée 32 contre la force développée par l'élément de ressort 17. L'arête supérieure 34 du goujon de poussée 32 réalisé comme tiroir de commande, ferme la cham- bre de fuite 26 lorsque les arêtes du boîtier chevauchent celles du goujon de poussée. Le mouvement de remontée du goujon de poussée 32 dégage l'organe de commande 19 en forme de bille guidé par la surface d'appui 33 par rapport à sa surface formant siège 36 en libérant l'alimentation 13 ve- nant de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune); ainsi du carburant à haute pression passe par la chambre de soupape 14 ou- verte à travers le premier perçage transversal pour arriver dans l'alimentation de buse 25 jusque dans la chambre de buse 35. Du fait du goujon de poussée 32 qui se soulève dans la direction verticale, la cham- bre de fuite 26 est rendue étanche par rapport à la conduite de fuite 30 par le chevauchement des arêtes de commande, si bien qu'il ne peut y avoir de court-circuit entre l'alimentation 13 du côté haute pression pour la chambre collectrice à haute pression et la conduite d'huile de fuite 30 du côté de l'huile de fuite. Lors de la mise en oeuvre de l'élément de fermeture 4 ac- tionné par l'actionneur, l'organe d'étranglement de sortie 8 se ferme, et le carburant à haute pression de l'alimentation 13 venant de la chambre collectrice à haute pression pénètre dans la chambre de commande 9 dans laquelle s'établit une pression. La surface frontale 10 de la pièce de com- mande 3 revient dans son perçage 24 du boîtier 2 de l'injecteur 1; le pis- ton ou goujon de poussée 32 et ainsi l'élément de commande 9 en forme de bille coopérant avec celui-ci est de nouveau poussé contre sa surface formant siège 36. Lors du mouvement de descente du piston ou goujon de poussée 32, les arêtes de commande du tiroir de fuite 34 s'ouvrent, ce qui permet de décharger immédiatement la pression de l'alimentation de buse et ainsi de la chambre de buse 35. Soutenu par le ressort d'étanchéité 16 qui se détend, le piston ou goujon de poussée 32 descend dans la chambre de soupape 14 et pousse l'organe de commande 19 en forme de bille contre sa surface formant siège 36. La chambre de soupape 14 est ainsi fermée vis-à-vis du carburant à haute pression venant de l'alimentation 13 à partir de la chambre collectrice à haute pression. Dans cette variante de l'idée de base de l'invention, l'organe de commande 19 en forme de bille sert à fermer ou à libérer l'alimentation de la chambre de soupape 14 vers l'alimentation de buse 25. Dans un mode de réalisation simple du point de vue de la technique de fabrication, une arête du goujon ou piston de poussée 32 symétrique en rotation peut servir d'arête de commande de fuite pour fermer la chambre de fuite 26. Par le perçage transversal 30 partant de la chambre de fuite 26, la con- duite de fuite 30 est sollicitée du côté de la sortie, ce qui assure un débit continu du volume de carburant de fuite arrivant dans la chambre de fuite 26 pour revenir dans le réservoir à carburant du véhicule. REVENDICATIONS 1 ) Injecteur pour injecter du carburant dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne avec une alimentation (13) venant de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) pour déboucher dans le boîtier (2) de l'injecteur (1) et une pièce de commande est mobile verticalement dans le boitier (2) de l'injecteur (1), le mouvement de la pièce de commande (3) se faisant par une décharge de pression d'une chambre de commande (9) du boîtier (2), chambre à laquelle est associé un élément de fermeture (4) commandé par un actionneur, caractérisé en ce que lors de la commande de la pièce de commande (3) par l'élément de ferme- ture (4) commandé par un actionneur, un organe de commande (19) en forme de bille libère ou ferme l'alimentation (25) et/ou la sortie (26) en forme de siège de soupape. 2 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de commande (19) est précontraint indirectement par un élément de ressort (17). 3 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de commande (19) est entouré partiellement par la pièce de com- mande (3). 4 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce de commande (3) est en forme de piston de commande ayant au moins deux zones de diamètre (dl) et (d2). ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de commande (19) appuyé sur un goujon de poussée (20) fixe dans le boîtier (2) est précontraint par un élément de ressort (17) logé dans la pièce de commande (3, 15). 6 ) Injecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que Il le mouvement de soulèvement (21) (h2) l'organe de commande (19) à partir de son siège lors de la décharge en pression de la chambre de commande (9) est inférieur au mouvement de soulèvement (22) (hi) de la pièce de commande (3). 7 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé par un canal annulaire communiquant avec la chambre de fuite (26) sous l'organe de commande (19). 8 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de commande (19) est sollicité par un goujon de poussée (32) réa- lisé sur une pièce de commande (3) de forme étagée. 9 ) Injecteur selon la revendication 8, caractérisé par une surface d'appui (33) réalisée sur le goujon de poussée (32) par laquelle l'organe de commande (19), en forme de bille est poussé contre son siège (37) du côté du boîtier. ) Injecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pièce de commande (3) de forme étagée est constituée de plusieurs par- ties et un élément de ressort (17) s'appuie sur le goujon de poussée (32). 1l1 ) Injecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' une arête du goujon de poussée (32) est réalisée sous la forme d'une arête de tiroir de fuite (34) reliant ou séparant dans une chambre de fuite (26), la conduite de fuite (30) et l'alimentation des buse (25).