Brevet FR2816373A1 — publié le 20020510

Domaine technique La présente invention concerne un injecteur pour injecter du carburant dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, comportant un amplificateur de pression et deux distributeurs de commande en aval de l'amplificateur de pression, l'un des distributeurs libérant ou fermant une alimentation de buse de la chambre de buse rece- vant l'aiguille d'injecteur. Dans les moteurs à injection directe, l'alimentation en car- burant des chambres de combustion du moteur à combustion interne se fait par des systèmes d'injection de carburant équipés d'injecteurs. Les différents injecteurs du moteur reçoivent le carburant à partir d'une chambre collectrice à haute pression (rampe commune). Les injecteurs à commande électrique définissent le début de l'injection, la quantité de carburant injectée ainsi que l'évolution de la pression d'injection pendant la durée de l'injection. Les injecteurs sont montés dans des corps de sup- port de buse utilisés jusqu'alors. Etat de la technique Le document EP 0 457 642 A2 concerne une installation d'injection de carburant pour des moteurs à combustion interne. Une pompe à haute pression remplit une chambre collectrice à haute pression (rampe commune) d'o partent les conduites à haute pression reliées aux différents injecteurs. Les différentes conduites à haute pression sont équi- pées de soupapes ou vannes de commande de l'injection à haute pression au niveau des injecteurs ainsi que d'une chambre de pression, supplé- mentaire, entre les soupapes de commande et la chambre collectrice à haute pression. Pour éviter que la pression élevée du système doit appli- quée en permanence aux injecteurs, la soupape de commande est réalisée de façon que, pendant les intervalles entre les injections, elle ferme la communication vers la chambre de pression et commande l'ouverture d'une communication entre l'injecteur et une chambre de décharge. Le document DE 198 35 494A1 concerne un ensemble pompe-buse. Cet ensemble sert à l'alimentation en carburant d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injection di- recte équipé d'une unité de pompe pour établir une pression d'injection et pour injecter le carburant par la buse d'injection dans la chambre de combustion. Il est également prévu une unité de commande avec une soupape de commande qui s'ouvre vers l'extérieur, c'est-à-dire une sou- pape de type A. Il est également prévu une unité d'actionnement de la soupape pour commander l'établissement de la pression dans l'unité de pompe. Pour créer une unité pompe-buse avec une unité de commande qui soit de construction simple, peu encombrante, et présente un temps de réponse court, cette invention propose de réaliser l'unité d'actionnement de la soupape sous la forme d'un actionneur piézo- électrique. Exposé de l'invention Dans les installations d'injection de carburant équipées d'amplificateurs de pression il faut un rapport de démultiplication impor- tant pour les pressions primaires faibles. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un injecteur du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que des chambres de commande ainsi qu'une chambre de pression de l'amplificateur de pression reçoivent la haute pression par une conduite de haute pression, et l'une des cham- bres de commande de l'amplificateur de pression est commutée par l'un des distributeurs de commande alors que la haute pression est appliquée à l'alimentation de buse. La solution selon l'invention développe un injecteur pour injecter du carburant à haute pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne de dimensions compactes pour être lo- gé dans la culasse du moteur à combustion interne à injection directe sans créer d'encombrement supplémentaire. L'amplificateur de pression est toujours soumis à la haute pression par la chambre collectrice à haute pression (rampe commune), ce qui permet d'avoir des temps de réponse courts sur l'amplificateur de pression. La pression de commande, élevée, appliquée en permanence, donne à l'injecteur un excellent rendement. L'amplificateur de pression est suivi d'un distributeur à ti- roir à 3/2 voies qui permet de décharger la buse en direction de la sortie de liquide de fuite lorsque la buse est fermée. Cela permet de réduire con- sidérablement les contraintes de pression, c'est-à-dire la sollicitation mé- canique permanente appliquée à l'aiguille de la buse. En amont de la pièce de commande, une liaison directe existe entre la chambre de pression de l'amplificateur de pression et la pression de commande. L'amplificateur de pression lui-même est commandé par un distributeur à tiroir à 2/2 voies. Le distributeur de commande à tiroir à 3/2 voies qui assure la décharge de l'aiguille de l'injecteur ainsi que le distributeur de commande à tiroir, à 2/2 voies peuvent être branchés de préférence en parallèle par un action- neur commun aux deux distributeurs, L'amplificateur de pression réalise l'équilibre des forces au repos de sorte que dans la chambre de commande supérieure, dans la chambre de commande intermédiaire et dans la chambre de pression, il règne la même pression de commande. Le ressort obturateur, logé dans la chambre de commande intermédiaire, en dessous de la tête de grand diamètre de l'élément amplificateur de pression, en forme de piston, maintient le ressort dans sa position de repos. La chambre de pression sous l'élément de piston de l'amplificateur de pression est protégée contre la perte de liquide par une soupape de remplissage. Cette soupape se trouve du côté d'entrée de la pression, en partant d'une branche de la chambre collectrice à haute pression (rampe commune). Pour créer une pression de commande très élevée, l'amplificateur de pression est en amont des deux distributeurs de commande et toutes les chambres de commande de l'amplificateur ainsi que sa chambre de pression sont en permanence mises au niveau de la pression régnant dans la chambre collectrice à haute pression (rampe commune). Les pulsations de pression ne se répercutent pas par des pul- sations de pression de commande; le volume de carburant contenu dans la chambre collectrice à haute pression (rampe commune) amortit ces pul- sations de sorte qu'elles n'entraînent aucun effet sur le niveau de pression des injecteurs. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un amplificateur de pression suivi d'un distributeur à tiroir à 3/2 voies et d'un distributeur à tiroir à 2/2 voies, - la figure 2 montre le corps du distributeur à tiroir à 3/2 voies dans la zone du tiroir et à échelle agrandie. Description des modes de réalisation La figure 1 montre un exemple de réalisation d'un injecteur selon l'invention dont l'amplificateur de pression est suivi d'un distribu- teur à tiroir à 3/2 voies et d'un distributeur à tiroir à 2/2 voies. L'injecteur 1 selon la vue de la figure 1 comprend pour l'essentiel un amplificateur de pression 9 et deux distributeurs 18, 37 branchés en parallèle ainsi que d'une aiguille d'injecteur mobile verticale- ment dans la partie inférieure de l'injecteur. Les composants décrits ci-dessus sont tous logés dans le boîtier 2 de l'injecteur 1 selon la vue de la figure 1. Par une chambre col- lectrice à haute pression 3 qui n'est représentée ici que schématiquement avec une conduite de haute pression 4 partant de cette chambre, on solli- cite la chambre de commande ou de pression d'un amplificateur de pres- sion 9 avec du carburant à haute pression; ce carburant représente la pression de commande dans les chambres de commande de s l'amplificateur de pression 9. Par l'intermédiaire d'une dérivation 5 supé- rieure de la chambre de commande on applique une pression de com- mande à une chambre de commande 13, au-dessus de la surface frontale supérieure de l'élément amplificateur de pression en forme de piston de l'amplificateur 9. La zone de tête de l'élément amplificateur de pression en forme de piston a un diamètre 10 (dl) suivi d'une seconde zone de diamè- tre 14 (d2) de l'élément amplificateur; celui-ci a un diamètre plus faible que le diamètre 10 (dl). Au passage entre la tête et la zone de diamètre ré- duit de l'élément amplificateur de pression, on a ainsi une surface annu- laire. Entre la zone étroite de l'amplificateur de pression et le perçage dans le corps 2 de l'injecteur, il se forme une chambre de commande intermé- diaire 1 1. Un ressort obturateur 12 est placé dans cette chambre de com- mande intermédiaire 11. Ce ressort s'appuie d'un côté contre le fond de la chambre 1 1 dans le boîtier 2 de l'injecteur et de l'autre côté contre la sur- face annulaire de l'élément amplificateur de pression; cette surface an- nulaire correspond au passage entre la zone de la tête et celle de la partie étroite de l'élément amplificateur de pression. La surface frontale infé- rieure de la zone étroite de l'élément amplificateur de pression en forme de piston, de petit diamètre 14, pénètre dans une chambre de pression 16 du boîtier 2 de l'injecteur. La chambre de commande intermédiaire 1 1, dans laquelle est logé un ressort obturateur 12 en forme de ressort spirale, est sollicitée par la conduite de haute pression 4 par l'intermédiaire d'une arrivée 6 comportant un organe d'étranglement d'arrivée 8. De plus, la chambre de commande intermédiaire 11 de l'amplificateur de pression 9 est reliée à un distributeur 37 à 2/2 voies qui la commande. Une alimentation haute pression 7 s'étend de l'arrivée de haute pression 4 partant de la chambre collectrice à haute pression 3 (rampe commune); la chambre de pression 16 du boîtier 2 de l'injecteur 1 reçoit du carburant à haute pression par l'alimentation 7 de la chambre de pression. L'alimentation 7 de la chambre de pression comporte une soupape de remplissage 15, sous la forme d'une bille formant l'organe d'obturation pressé contre une surface formant siège de soupape par un ressort de compression. La pression régnant dans la chambre collectrice à haute pression 3 permet d'ouvrir la soupape de remplissage 15 pour ga- rantir un nouveau remplissage de la chambre de pression 16 de l'amplificateur de pression 9 dans le boîtier d'injecteur 2. Inversement, le carburant à très haute pression ne peut s'échapper de la chambre de s pression 16 vers la conduite de haute pression 4. La chambre de pression 16 du boîtier 2 de l'injecteur 1 selon la vue de la figure 1 est reliée par un canal de débordement 17 à un distributeur à tiroir de commande 3/2 18, qui peut être commuté parallèlement au distributeur de commande 37 à 2/2 tiroirs. Pendant que le distributeur à tiroir à 3/2 voies, 18 libère l'application de la pression de l'alimentation de buse 28 vers la chambre de buse 29 dans le boîtier 2 de l'injecteur ou ferme cette communication, le distributeur à tiroir à 2/2 voies, 37, dans le boîtier de l'injecteur 2, permet de commuter l'amplificateur de pression 9. Les mouvements verti- caux des deux tiroirs 19, 29 des distributeurs de commande 18, 37, se font de préférence par l'intermédiaire d'un actionneur commun 43, par exemple en forme d'actionneur piézo-électrique. Avec interposition d'un démultiplicateur hydraulique 44 on peut, à l'aide de l'actionneur commun 43, commander le mouvement de montée et de descente de l'induit 42 dans la direction verticale du boîtier d'injecteur 2; cet induit est muni d'un pont 41 agissant en parallèle sur les deux organes formant tiroir 19, 39 des deux distributeurs de commande 18, 37. Le distributeur à tiroir à 3/2 voies 18 logé dans le boîtier 2 de l'injecteur comprend un tiroir 19 qui monte et descend dans la direc- tion verticale dans le boîtier d'injecteur 2 par l'intermédiaire du pont 41. Le tiroir 19 est muni, dans la zone de l'embouchure du canal de déborde- ment 19, à partir de la chambre de pression 16 dans le boîtier 2 de l'injecteur, d'un point de rétrécissement; ce rétrécissement se termine sur le tiroir 19 par un diamètre de siège 22. A l'aide du diamètre de siège 22 du tiroir 19, on réalise l'étanchéité vis-à-vis de la pression élevée régnant dans la chambre de pression 16 ou le canal de débordement 17, dans la chambre de soupape 20 du distributeur à tiroir à 3/2 voies, 18 réalisée dans le boîtier 2 de l'injecteur. A l'extrémité inférieure de la chambre de tiroir 20, le tiroir 19 du distributeur de commande à 3/2 voies 18 com- prend un élément de tiroir 23. A l'extrémité inférieure du tiroir 19 se trouve une surface frontale inférieure de ce tiroir 19 sollicitée par un élé- ment à ressort réalisé par exemple sous la forme d'un ressort spirale. L'élément de ressort 27 s'appuie dans une cavité servant de chambre à liquide de fuite dans le carter 2 de l'injecteur. La cavité, qui entoure l'élément de ressort 27 en forme de ressort spirale, peut être reliée par une sortie de liquide de fuite 26 au réservoir de carburant d'un moteur à com- bustion interne. Une alimentation de buse 28 dérive de la chambre 20 reliée par un perçage transversal réalisé dans le boîtier d'injecteur 2 à la cham- bre 20 du boîtier d'injecteur 2. En ouvrant le diamètre 22 du siège à partir de sa surface formant siège dans le boîtier d'injecteur 2, c'est-à-dire lors- que le tiroir 19 du distributeur de commande à 3/2 voies 18 est en bas il coupe la chambre de pression 16 par le canal de débordement 17 de la chambre 20 de carburant soumise à une pression élevée régnant dans l'alimentation de buse 28. L'alimentation de buse 28 débouche dans une chambre de buse 29, également réalisée dans le boîtier 2 de l'injecteur. La chambre de buse 29 entoure une aiguille de buse 30 qui est munie d'un étage de pression 31 dans la zone entourée par la chambre de buse 29. Au-dessus de la surface frontale 32 de l'aiguille de buse 30 se trouve un poussoir 33 qui, d'une part, s'applique contre la surface frontale 32 de l'aiguille d'injecteur 30, et, d'autre part, est sollicité par un ressort d'étanchéité 34. Le ressort d'étanchéité 34 est logé dans une cavité 35 du côté du boîtier de l'injecteur et s'appuie contre un élément d'appui 36. Lorsqu'un niveau de pression élevé règne dans l'ajutage d'alimentation de buse 28 et ainsi dans la chambre de buse 29, l'étage de pression 31 réali- sé sur l'aiguille en forme de buse 30 au niveau de la chambre de buse 29, est repoussé verticalement par déplacement de l'aiguille d'injecteur 30 contre l'action du ressort d'étanchéité 34 logé dans la cavité 35. L'aiguille de buse 30 se soulève verticalement et libère l'orifice d'injection. Le carbu- rant à haute pression est injecté alors directement dans la chambre de combustion du moteur à combustion à injection directe. En parallèle au distributeur à tiroir à 3/2 voies 18, le boî- tier 2 de l'injecteur 1 comporte, selon la figure 1, un distributeur de com- mande 37 à 2/2 voies. Celui sert à commander l'amplificateur de pression 9. Le tiroir 39 du distributeur de commande à 2/2 voies 37 (fig. 9) est également relié au pont 41 sollicité par le tiroir 19 du distributeur 18 à 3/2 voies. Les deux distributeurs de commande 18, 37 sont ainsi com- mandés en parallèle. Le distributeur de commande à 2/2 voies 37 sert à commuter l'amplificateur de pression 9. La chambre 40, qui entoure le tiroir 39 du distributeur 37, débouche dans une conduite de fuite 38 par laquelle la chambre de commande intermédiaire 1l 1 est déchargée en pres- sion au niveau de l'amplificateur de pression 9. Pour assurer la précon- trainte du tiroir 39 dans le boîtier 2 de l'injecteur, on sollicite la face fron- tale du tiroir 39 avec un élément de ressort pour que le diamètre du siège du tiroir 39 soit toujours appliqué contre le siège du boîtier d'injecteur 2 en position de fermeture. Le fonctionnement de l'injecteur de la figure 1 est le sui- vant L'alimentation à haute pression 4 qui vient de la chambre collectrice à haute pression 3 (rampe commune) met la chambre de com- mande 13, supérieure, en pression par l'intermédiaire de la branche 5, de la chambre de commande intermédiaire 11, en passant par l'entrée 6 et la chambre de pression 16 de l'amplificateur de pression 9 et l'arrivée infé- rieure 7 de la soupape de remplissage 15. A l'état fermé des deux distri- buteurs de commande, c'est-à-dire du distributeur de commande 18 à 3/2 voies et du distributeur de commande 37 à 2/2 voies, la chambre de pres- sion 16 de l'amplificateur de pression 9 est coupée à la fois vers l'alimentation de buse 28 et vers la chambre de commande intermédiaire 1 de l'amplificateur de pression 9. Dans cette situation, l'élément amplifi- cateur de l'amplificateur de pression 9 est maintenu dans sa position de sortie par le ressort obturateur 12 logé dans la chambre de commande intermédiaire 11. L'élément amplificateur de pression en forme de piston de l'amplificateur de pression 9 est à l'état d'équilibre des forces car la pression de commande règne dans la chambre de commande 13, dans la chambre de commande intermédiaire 11 et dans la chambre de pression 16. Lorsque l'actionneur commun 43 est alimenté, le pont 41, qui relie les deux tiroirs 19, 39 des deux distributeurs de commande 18, 37, descend et fait descendre les deux tiroirs 19, 39, verticalement. Cela produit la dé- charge de la pression dans la chambre de commande intermédiaire 11 de l'amplificateur de pression 9 par le tiroir 39 du distributeur de commande 37 de sorte que l'amplificateur de pression descend contre l'action du res- sort d'étanchéité 12 dans le boîtier de l'injecteur. Ce mouvement produit une augmentation de la pression dans la chambre de pression 16 du boî- tier 2 de l'injecteur. En même temps, le mouvement de descente verticale du ti- roir 19 du distributeur 18 relie la chambre de pression 16 dans laquelle la pression augmente par le canal de débordement 17 et la libération du diamètre de siège 22 du boîtier 2 de l'injecteur avec l'alimentation 28 de la chambre de buse 29. Le carburant comprimé s'éjecte de la chambre de pression 16 par l'alimentation 28 dans la chambre de buse 29 qui produit un mouvement de remontée verticale de l'aiguille de buse 30 dans le boî- tier 2 de l'injecteur. Le carburant mis à pression élevée peut ainsi être in- jecté dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne à injection directe. La fermeture des tiroirs 19, 39 des distributeurs 18, 37 se fait par un mouvement vertical de remontée des tiroirs 19, 39 dans le boî- tier 2 de l'injecteur. Des éléments de ressort 27, logés dans le boîtier 2 de l'injecteur et agissant contre la face frontale inférieure des tiroirs 19, 39, poussent les tiroirs 19, 39 avec leur diamètre de siège 22 contre leur siège d'étanchéité dans le boîtier 2. Cela entraîne une montée en pression dans la chambre de commande intermédiaire 11 de l'amplificateur de pression 9 pour que, soutenu par le ressort obturateur 12, l'amplificateur de pres- sion 9 avec sa partie étroite, de diamètre 14, sorte de la chambre de pres- sion 16 et y réduit la pression. En même temps, le dégagement du tiroir 19 du distributeur de commande 18 et l'arrivée de son diamètre de siège 22, au niveau de la surface de siège du boîtier 2, assurent la décharge en pression de l'alimentation 28 de la buse par l'élément de tiroir 23. La figure 2 montre le tiroir 19 du distributeur à 3/2 voies 18, au niveau du tiroir proprement dit, et de l'arête de commande du côté du boîtier, selon une vue à échelle agrandie. La chambre de soupape 20 qui entoure le tiroir 19 du dis- tributeur 18 dans le boîtier 2 avec le contour arrondi ou le contour avec arête vive, sert à la décharge en pression de l'alimentation de buse 28 vers la chambre de liquide de fuite 47. Pour cela, en regard de l'alimentation de buse 28 dans le tiroir 19, on a prévu l'élément de tiroir 23 au-delà de la zone rétrécie 45, de manière symétrique par rapport à l'axe de symétrie 48 du tiroir 19 du distributeur de commande 18. Pendant la fermeture du tiroir 19 avec son diamètre de siège 22 dans le siège 21 du côté du boîtier, la pression chute dans l'alimentation de buse 28 en passant par la cham- bre 20 à travers l'intervalle annulaire 46 ouvert entre le tiroir et l'arête de commande du côté du boîtier dans la chambre de liquide de fuite 47; cela signifie que l'alimentation de buse 28 est déchargée en direction de la chambre de liquide de fuite 47 lors de la phase de fermeture. En même temps, cela garantit le maintien de la pression de commande élevée en amont du tiroir 19 du distributeur de commande 18; de cette manière on peut conserver un petit rapport de démultiplication défini principalement par le rapport entre le diamètre de tête 10 et le diamètre de col 14 de l'élément amplificateur de l'amplificateur de pression 9. La pression d'ouverture de l'aiguille 30 de l'injecteur, lors- qu'on applique une pression élevée dans la chambre de buse 29, est défi- nie par la forme du gradin de pression 31 et de la forme de fermeture exercée par le ressort d'étanchéité 34. La décharge en pression de l'alimentation de buse 28 ou de la chambre de buse 29 à l'état fermé se fait en conservant un intervalle annulaire 46 entre la partie de tiroir pro- prement dite du tiroir 19 et l'arête de commande opposée du boîtier 2 de l'injecteur. REVEND I CATIONS 1 ) Injecteur pour injecter du carburant dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, comportant un amplificateur de pres- sion (9) et deux distributeurs de commande (18, 37) en aval de s l'amplificateur de pression (9), l'un des distributeurs libérant ou fermant une alimentation de buse (28) de la chambre de buse (29) recevant l'aiguille d'injecteur (30), caractérisé en ce que des chambres de commande (11, 13) ainsi qu'une chambre de pression (16) de l'amplificateur de pression (9) reçoivent la haute pression par une conduite de haute pression (4), et l'une des chambres de commande (11) de l'amplificateur de pression (9) est commutée par l'un des distributeurs de commande (18, 37) alors que la haute pression est appliquée à l'alimentation de buse (20, 28). 2 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur de pression (9) possède en zone de tête un premier diamè- tre (10) qui dépasse le diamètre (14) de la zone inférieure de l'amplificateur de pression (9) au niveau de sa surface frontale de commande du côté de la chambre de pression. 3 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé par une soupape de remplissage (15) prévue entre la conduite de haute pres- sion (4) et la chambre de pression (16) de l'amplificateur de pression (9) . 4 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de pression (16) de l'amplificateur de pression (9) est reliée par un canal de débordement (17) à une chambre de soupape (20) du distri- buteur à tiroir à 3/2 voies (18) du côté de la buse. ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tiroirs (19, 39) du distributeur de commande (18) et du distributeur de commande (37) sont actionnés en parallèle par un actionneur (43) com- mun. il 6 ) Injecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces de siège (22, 40) des tiroirs (19, 39) sont orientées dans le même sens. 7 ) Injecteur selon la revendication 5, caractérisé par un élément de tiroir de liquide de fuite (23) réalisé au niveau du tiroir (19) du distributeur de commande à 3/2 voies (18). 8 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de la décharge en pression de la chambre de commande inférieure (11) de l'amplificateur de pression (9) par le distributeur de commande à 2/2 voies (37), l'alimentation de buse (28) est reliée au canal de déborde- ment (17) et à la chambre de pression (16) de l'amplificateur de pression (9). 9 ) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé par un ressort obturateur (12) logé dans la chambre de commande intermé- diaire (11) de l'amplificateur de pression (9). ) Injecteur selon la revendication 1, 2s caractérisé en ce que la fermeture du distributeur de commande à 3/2 voies (18) et du distri- buteur de commande à 2/2 voies (37) se traduit par l'établissement d'une pression de commande dans la chambre de commande intermédiaire (11) de l'amplificateur de pression (9) et par une liaison entre l'alimentation de buse (28) par l'élément de tiroir (23) du tiroir (19) vers la sortie de liquide (26).