Brevet FR2815382A1 — publié le 20020419

Domaine technique La présente invention concerne un procédé d'injection de carburant à haute pression dans un moteur à combustion interne à com- pression d'air avec un système d'injection comprenant une unité de com- pression pour comprimer le carburant, un organe d'actionnement pour les soupapes de commande et qui commande l'aiguille d'un injecteur. Les moteurs à combustion interne à compression d'air, ser- vant à l'entraînement des véhicules automobiles, couvrent une large plage de vitesse de rotation (régime). Les systèmes d'injection de carburant ali- mentant de tels moteurs à combustion interne doivent répondre à d'autres exigences au démarrage qu'au régime nominal du moteur à combustion interne. Les deux exigences doivent toutefois être prises en compte dans la conception des systèmes d'injection de carburant. Dans ces conditions, des temps de commande courts des soupapes de commande d'un système d'injection sont aussi importants que des coûts de fabrication avantageux et une durée de vie longue des composants du système d'injection en réa- lisant la compensation de pression des composants de la soupape. Etat de la technique On connaît déjà de nombreuses variantes de réalisation de systèmes d'injection de carburant. Il s'agit par exemple de systèmes dans lesquels un piston comporte un ressort de rappel ou autre composant créant une poussée. Celui-ci est par exemple entraîné par un arbre à ca- mes. En général dans les systèmes d'injection on prévoit une aiguille qui se déplace entre une position inférieure, c'est-à-dire une position de fer- meture, et une position supérieure; les surfaces aux extrémités de l'aiguille commandent des pressions. De telles aiguilles d'injection sont prévues en général dans une ou plusieures chambres de commande; de plus, l'aiguille de l'injecteur est maintenue en position basse par un res- sort de rappel. On connaît également des systèmes d'injection qui com- portent en option une soupape de remplissage et de fin de commande qui commande prioritairement la pression dans l'une des chambres de com- mande de l'aiguille de buse et qui comporte également une buse-soupape de commande réglant prioritairement la pression à la sortie d'une autre chambre de commande par l'intermédiaire de l'aiguille de l'injecteur. Ces deux soupapes peuvent être couplées ou commutées séparément et on utilise des actionneurs soit électromagnétiques soit piézo-électriques soit magnétostrictifs. Les soupapes peuvent être actionnées directement ou indirectement et les soupapes sont précédées ou suivies d'éléments d'étranglement. On connaît un système d'injection de carburant qui com- mande la pression dans la zone de sortie d'une chambre de commande entourant l'aiguille d'injecteur, par exemple selon le document EP 0 823 550 A1. L'inconvénient de principe de ce montage sera exposé brièvement ci-après. Au faible régime du moteur, par exemple au démar- rage d'un moteur à combustion interne, le piston crée une pression qui dépasse le niveau de pression auquel la somme de toutes les forces exer- cées sur l'aiguille dépasse juste la force du ressort de rappel de la buse. Pour permettre une diminution de la pression on ferme tout d'abord les deux soupapes. A un certain instant on ouvre néanmoins la soupape de commande de buse pour que la pression chute dans la chambre de com- mande correspondante et que la somme des forces exercées sur l'aiguille de la buse produise un déplacement de cette aiguille en direction de sa position haute. La buse ouverte en direction du cylindre ainsi que la sou- pape de commande de buse, ouvertes, permettent le passage d'une quan- tité de carburant supérieure à celle demandée par le piston. Il en résulte une chute de la pression dans l'autre chambre de commande de l'aiguille de la buse et la buse se ferme de nouveau de manière non voulue. Le document US-A-5 819 704 décrit un moyen permettant d'éviter la fermeture non voulue de la buse lorsque le volume de carburant qui s'échappe augmente. Dans cette variante de réalisation, l'aiguille de la buse est munie d'un second siège. Ce second siège ferme la sortie d'une première chambre de commande. De plus, par le choix correspondant des surfaces d'étranglement et de pression, la pression augmente lentement dans la chambre de commande et à partir d'un certain niveau de pression, l'aiguille de buse se soulève juste avant d'atteindre la position haute. Ce court soulèvement produit une chute immédiate de la pression dans la chambre de commande et l'injection n'est pas concernée. L'inconvénient de cette configuration d'une aiguille de buse ou d'injecteur avec un second siège est d'une part une fabrication compliquée d'une soupape à double siège et d'autre part l'injection avec une telle configuration ne peut être terminée à un instant quelconque. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients et concerne à cet effet un procédé d'injection du type défini ci- dessus, caractérisé en ce que pendant les différentes phases d'injection ou pendant le cycle d'injection, l'une ou les deux soupapes de commande sont commandées plusieurs fois ou de manière cadencée par un action- neur piézo-électrique. Les avantages liés à la solution de l'invention sont surtout en ce que l'utilisation d'un actionneur piézo-électrique permet d'avoir des temps de commande de soupape extrêmement courts; les actionneurs électromagnétiques sont également supérieurs du fait de temps de réac- tion extrêmement courts. Par la commande en cadence du signal appliqué à l'actionneur on transmet cette commande pratiquement directement en 0o un mouvement cadencé lorsqu'on utilise un actionneur piézo-électrique pour la soupape de commande ainsi mise en oeuvre. La transformation pratiquement directe du signal de commande de l'électro-aimant en un mouvement d'actionnement de la soupape de commande ainsi sollicitée ne peut être obtenue du fait de l'effet d'hystérésis qui existe dans le cas des électro-aimants de sorte que le signal d'actionnement risquerait d'être faussé et aboutirait à des mouvements non satisfaisants. Le procédé selon l'invention permet, grâce au temps de ré- ponse court des organes d'actionnement utilisés, une commande multiple, cadencée, de la soupape de commande de la buse de sorte qu'au démar- rage d'un moteur à combustion interne on peut injecter une quantité suf- fisante de carburant. Les temps de réponse rapides du procédé selon l'invention excluent toute fermeture non voulue de l'aiguille de la buse ou de l'injecteur précisément pendant la phase de démarrage comme cela peut se produire dans les solutions esquissées dans l'état de la technique. Grâce à l'ouverture et à la fermeture cadencées de la soupape de com- mande de la buse pendant l'opération d'injection, on réduit les fuites pour les régimes intermédiaires. Cela se traduit par une augmentation de la pression maximale ou de la quantité injectée pour une même durée de commande globale des soupapes de commande. Le rendement d'une sou- pape de commande de buse peut être augmenté par le procédé de l'invention grâce au temps de commande de soupape extrêmement court obtenu par l'actionneur piézo-électrique. Si pour le régime moyen on ouvre et on ferme de manière cadencée la soupape de commande de buse lors d'une opération d'injection d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule utilitaire, on réduit la fuite qui s'établit et on obtient un meilleur degré de remplissage de la chambre de combustion respective du moteur à combustion interne. La pression maximale et la quantité injectée aug- mentent pour la vitesse de rotation moyenne du moteur à combustion in- terne de sorte que les grandeurs thermodynamiques qui influencent le rendement se développent de manière positive. Pour la vitesse de rotation nominale pour laquelle le moteur à combustion interne est en général conçu, on obtient le même effet positif d'une plus faible fuite si la soupape de commande de buse est ouverte et fermée plusieurs fois brièvement. Pour la vitesse de rotation nominale, avec une ouverture et une fermeture qui se font brièvement de la soupape de commande de buse et pour une soupape de commande de remplissage maintenue fermée, on arrive également à un meilleur comportement de 1o remplissage des chambres de combustion du moteur à combustion in- terne; cela améliore le rendement et ainsi l'utilisation du carburant. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre la construction d'un système d'injection actionné par un actionneur piézo-électrique, - les figures 2a-2d montrent la courbe d'un paramètre d'injection d'une séquence d'injection pour une vitesse de rotation de la pompe de minutes-', - les figures 3a-3d montrent la courbe du paramètre d'injection d'une séquence d'injection pour une vitesse de rotation de pompe de 500 minutes-', c'est-à-dire pour le régime intermédiaire, - les figures 4a-4d montrent le paramètre d'injection qui s'établit pour une séquence d'injection pour une vitesse de rotation de pompe de 900 minutes-', qui correspond au régime nominal d'un moteur à com- bustion interne. Description du mode de réalisation de l'invention La figure 1 montre un système d'injection commandé par un actionneur piézo-électrique d'un moteur à combustion interne à com- pression d'air. La référence 1 désigne un système d'injection comprenant ici schématiquement une unité de compression 2. L'unité de compression 2 selon la figure 1 est réalisée sous la forme d'une pompe à piston et cy- lindre dont le piston 4 est sollicité par un élément de ressort 3 pour com- primer le carburant 5 reçu dans la réserve de carburant 6. La réserve de carburant comprimé est transmise par une conduite de pression 7 à un corps d'injecteur recevant une aiguille de buse ou d'injecteur 12; la pointe de l'injecteur est réalisée sous la forme d'une buse d'éjection 13 pénétrant à l'intérieur de la chambre de combustion d'un moteur à combustion in- terne. La figure 1 montre schématiquement un élément d'actionnement en forme d'actionneur piézo-électrique qui agit sur un s coupleur hydraulique 9 sollicitant en commun une première soupape de commande 16 et une seconde soupape de commande 17. Le coupleur hy- draulique 9 est réalisé sous la forme d'une chambre de couplage 11 solli- citée par l'actionneur piézo-électrique par l'intermédiaire d'un élément d'étranglement 10. Les deux surfaces frontales supérieures de la première soupape de commande 16 fonctionnant comme soupape de remplissage et de fin de commande et la surface frontale de la seconde soupape de com- mande 17 fonctionnent comme soupape de commande de buse, sont solli- citées par l'intermédiaire de la chambre de couplage 11 pour actionner, dans la direction verticale, les corps de soupape non détaillés ici, faisant partie des soupapes. L'aiguille 12 de la buse logée dans un corps d'injecteur de carburant peut être par exemple réalisée sous la forme d'une aiguille de buse en deux parties composées d'une partie supérieure 12.1 et d'une partie inférieure 12.2. Dans la partie supérieure de l'aiguille 12 on a réali- sé une chambre de commande supérieure 15 alors que la partie inférieure 12.2 de l'aiguille 12 est entourée par une chambre de buse 14. La cham- bre de buse 14 de l'aiguille 12 est déchargée en pression, par une conduite de décharge, dans la chambre de soupape 21 réalisée sur la soupape de fin de commande 16. La chambre de commande 15, réalisée au niveau de la partie supérieure 12.2 de l'aiguille 12 est reliée par une conduite d'alimentation munie d'un organe d'étranglement d'alimentation 19 au réservoir 5 et par une conduite de sortie 24 munie d'une organe d'étranglement de sortie 18 et qui décharge en pression la soupape de commande 17. Dans chacune des deux soupapes de commande 16, 17, dans le côté opposé à la chambre de couplage 11, on a un élément de rap- pel 22, 23 qui dans le mode de réalisation de la figure 1 est constitué par un ressort spirale. Un segment allant en diminuant de la partie supérieure 12.1 de l'aiguille 12 est entouré selon le mode de réalisation de l'aiguille de la figure 1 par un élément de ressort 25; la partie supérieure 12.1 et la partie inférieure 12.2 de l'aiguille 12 sont alignées essentiellement de ma- nière coaxiale dans le boîtier de l'injecteur. La référence 26 désigne la commande associée à l'actionneur piézo-électrique 8 qui assure l'application en pression aux deux soupapes de commande 16, 17 d'un volume de commande par la chambre de couplage 11 commune. Par une variation appropriée de la tension ou du courant appliqué par la com- mande 26 de l'actionneur on règle dans l'actionneur piézo-électrique, des courses verticales différentes de sorte que le volume de commande du coupleur hydraulique 9 reçoit des pressions différentes; ainsi, en fonction des éléments de rappel 22, 23, les deux soupapes de commande 16, 17 exécutent des courses différentes. La vue des figures 2a-2d donne les paramètres d'injection d'une séquence d'injection exécutée pour une vitesse de rotation de la pompe de 30 minutes-' pendant la phase de démarrage. Dans la séquence des figures 2a-2d, on a représenté de manière correspondante les courbes de pression qui se développent en parallèle, les courbes des signaux, les courses du système d'injection. La référence 27 désigne la courbe du signal de commande de l'actionneur piézo-électrique 8 d'une manière plus détaillée. Cette courbe ou la varia- tion de tension ou de courant est appliquée à l'actionneur piézoélectrique 8 selon la vue de la figure 1 par la commande 26. Le signal de commande présenté comme des impulsions de tension rectangulaires produit une courbe de pression dans la chambre de couplage 11 sollicitant les deux soupapes de commande 16, 17, selon la courbe 28. La figure 2b montre que la soupape de commande de rem- plissage 16 reste fermée selon la courbe 29 alors que la courbe 30, qui correspond à la course de la soupape de commande de buse 17, montre que celle-ci est ouverte et fermée plusieurs fois successivement, pour réa- liser une quantité cumulée, injectée, dosée de manière suffisante pour le démarrage du moteur à combustion interne. La course du piston de l'actionneur qui s'établit selon le tracé 27 pour l'actionneur 8 porte la réfé- rence 31. La figure 2b montre que la course 31 de l'actionneur est propor- tionnelle au signal de commande 27 de la commande 26 de l'actionneur. Selon l'ouverture et la fermeture successives de manière cadencée de la soupape de commande de buse 17, suivant la course 30 de la figure 2b, on aura un tracé en forme de dents de scie de la pression d'injection 32 selon la figure 2c. La référence 33 désigne la courbe de pression dans la chambre de commande supérieure 17 de l'aiguille 12 de l'injecteur; cette courbe est pratiquement parallèle au gradient de la pression d'injection pendant la phase d'injection. La vue de la figure 2d montre l'augmentation de la quantité injectée, cumulée, que l'on obtient par la commande cadencée de la sou- pape de commande de la buse en fonction du temps. Cela correspond à la courbe 35. Par cette injection cadencée de quantité partielle injectée, tou- jours constante, après plusieurs ouvertures et fermetures successives de la buse d'injection (injecteur 13), on aura une quantité cumulée en gra- dins de carburant injecté dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Comme selon le signal de commande 27 selon la fi- gure 2a, les durées de commande assurées par l'actionneur 8 sont tou- jours les mêmes, le volume partiel correspondant à la quantité injectée à chaque cadence, c'est-à-dire à chaque intervalle d'ouverture et de ferme- ture de la soupape de commande 17 sera toujours la même si bien qu'après un certain nombre d'opérations successives d'ouverture et de fermeture de la première soupape de commande on aura la courbe 35 du graphique de la figure 2d. Les figures 3a-3d montrent de manière plus détaillée la courbe des paramètres d'injection d'une séquence d'injection enregistrée pour une vitesse de rotation de la pompe d'environ 500 minutes-' corres- pondant au régime moyen du moteur à combustion interne. La courbe du signal d'actionnement 27 de l'actionneur pié- zo-électrique selon la figure 1 montre que l'actionneur 8 est commuté de manière cadencée. En conséquence, on aura une courbe de pression ca- dencée selon la référence 28 dans la chambre de couplage 11. La référence 37 de la figure 3a désigne une pointe de pression dans la chambre de soupape 20 de la soupape de commande de buse 17. Sur l'axe des temps, parallèle au signal de commande 27 ou à la courbe de pression 28 de la chambre de couplage 11, la figure 3 montre les courses 29, 30 qui s'établissent pour la soupape de fin de commande de remplissage 16 ou la soupape de commande de buse 17. La commande cadencée de l'actionneur se traduit directement sur le tracé de la courbe 30 de la sou- pape de commande de buse 17 qui effectue dans la direction verticale, sous l'effet de la commande cadencée par l'actionneur piézo-électrique 8, des excursions de quelques centièmes de millimètres. Le tracé de la course 31 de l'actionneur se rapproche d'une courbe fermée. La vue de la figure 3c montre la quantité de fluide qui aug- mente progressivement selon la courbe portant la référence 26 pour un régime moyen alors que la référence 39 désigne la courbe de la pression dans la chambre de commande 15 de l'aiguille 12 de l'injecteur. Par l'actionnement cadencé de la soupape de commande de buse 17 pendant l'injection on peut diminuer la quantité de fuite et augmenter la quantité injectée. Cela permet d'obtenir un meilleur remplissage des chambres de combustion du moteur à combustion interne avec du carburant, ce qui se traduit par une meilleure utilisation de l'énergie du carburant. La figure 3d montre la courbe 40 de la course de l'aiguille d'injecteur en fonction du temps ainsi que la quantité injectée 41 qui croit en continu avec le temps. Contrairement au mouvement vertical dans les soupapes de commande 16, 17, qui se situe dans le domaine du centième de millimètres, pour l'actionnement de l'injecteur, l'aiguille effectue des mouvements verticaux de l'ordre de dixième de millimètres pour permettre de fournir le volume injecté, nécessaire, à haute pression, de carburant dans les chambres de combustion d'un moteur à combustion interne. La séquence des figures 4a-4d montre les paramètres d'injection qui correspondent à une séquence d'injection pour une vitesse de rotation de la pompe de 900 minutes-' qui est la vitesse de rotation nominale d'un moteur à combustion interne. Selon les graphiques de la figure 4a, on a la courbe du si- gnal d'actionneur 27 et la courbe de pression résultante dans la chambre de couplage 11. La figure 4b montre les courbes de pression 42, 43 résul- tant de l'actionnement de l'actionneur 8; ces courbes de pression mon- trent essentiellement une préinjection 42 suivie d'une injection principale 43. La référence 44 désigne des pulsations de pression qui peuvent s'établir dans le système d'injection 1 après la fermeture de la soupape de commande 17. Pour l'injection on ouvre la soupape de commande 17 une seule fois brièvement après l'établissement de la pression. L'établissement de la pression dans la chambre de commande 15, au-dessus de l'aiguille 12 de l'injecteur, se fait après la nouvelle fermeture de la soupape de commande de buse 17, suffisamment lentement pour ne pas agir sur l'injection. La figure 4c montre la courbe de pression 38 qui s'établit dans la chambre de la buse de l'aiguille 12; la référence 39 désigne la courbe de pression dans la chambre de commande. La courbe 32 présente une pression d'injection de forme pratiquement trapézoïdale, pendant la phase d'injection de l'injecteur 13. La figure 4d montre la course 40 de l'aiguille d'injecteur qui s'établit après une courte suroscillation, à un ni- veau constant, alors que l'injection est maintenu à ce niveau de course; il s'établit ainsi une quantité injectée 41 croissant de manière linéaire selon la courbe représentée à la figure 4d. Pendant l'injection, dont la durée cor- respond à la durée d'ouverture de l'aiguille de l'injecteur portant la réfé- rence 40 à la figure 4d, la pression d'injection évolue selon une forme sensiblement trapézoïdale comme la courbe 32 de la figure 4c. Cette courbe est une image du niveau de pression qui s'établit dans la chambre de la buse et dont la courbe porte la référence 38 à la figure 4c. Il est à remarquer que pendant la phase de démarrage du moteur à combustion interne à faible régime de l'unité de compression 2, les soupapes de commande 16, 17 sont maintenues fermées et ensuite on l0 a une brève ouverture de la soupape fonctionnant comme soupape de commande de buse 17. Suivant une autre caractéristique, la soupape de commande de buse 17 règle son ouverture automatique par la réalisation d'un niveau de pression lors du dépassement d'un niveau de pression prédéterminé. Le procédé selon l'invention pour injecter du carburant dans un moteur à combustion interne à compression d'air permet d'obtenir aux différents régimes, une amélioration du degré de remplissage des chambres de combustion du moteur à combustion interne par une commande dirigée, cadencée multiple d'un actionneur 8 agissant sur les soupapes de commande 16, 17, une augmentation de la pression maxi- male et une augmentation de la quantité de carburant injectée. En même temps, on réduit la fuite de carburant de sorte que globalement le procédé selon l'invention assure une meilleure utilisation du carburant dans un moteur à combustion interne. O10 REVENDICATIONS 1 ) Procédé d'injection de carburant à haute pression dans un moteur à combustion interne à compression d'air avec un système d'injection (1) comprenant une unité de compression (2) pour comprimer le carburant, un organe d'actionnement (8) pour les soupapes de commande (16, 17) et qui commande l'aiguille (12) d'un injecteur, caractérisé en ce que pendant les différentes phases d'injection ou pendant le cycle d'injection, l'une ou les deux soupapes de commande (16, 17) sont commandées plu- 1o sieurs fois ou de manière cadencée par un actionneur piézo-électrique (8). 2 ) Procédé d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première soupape de commande (16) fonctionne comme une soupape de fin de commande de remplissage et la seconde soupape de commande (17) fonctionne comme une soupape de commande d'injecteur. 3 ) Procédé d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la phase de démarrage du moteur à combustion interne, à faible régime de l'unité de compression (2), les soupapes de commande (16, 17) sont maintenues fermées et ensuite on a une brève ouverture de la sou- pape fonctionnant comme soupape de commande de buse (17). 4 ) Procédé d'injection selon la revendication 3, caractérisé en ce que par une ouverture cadencée multiple de la soupape de commande de buse (17) on fournit une quantité cumulée de carburant injectée. 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape de commande de buse (17) est commutée à régime moyen du moteur à combustion interne pendant l'injection. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que 1l la soupape de commande de buse (17) est commandée à l'ouverture et à la fermeture de manière cadencée, à régime moyen du moteur à combustion interne pendant l'injection. 7 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la soupape de commande de buse (17) règle une ouverture automatique de la soupape de commande buse (17) par la réalisation d'un niveau de pres- sion lors du dépassement d'un niveau de pression prédéterminé.