Brevet FR2844559A1 — publié le 20040319

La présente invention concerne d'une façon générale des conduits de transfert de fluide assurant le passage d'un fluide entre deux emplacements fixes, ces conduits étant constitués de tuyaux et ayant un ou plusieurs coude(s). Plus précisément, la présente invention 5 concerne un conduit d'injection assurant le passage d'un fluide entre une pompe à injection et un injecteur d'un véhicule ayant un système d'injection de carburant. La pompe à injection de carburant et l'injecteur de carburant, ou système d'injection, d'un véhicule sont en général montés tous deux en 10 place de manière rigide. Il a été décelé que le conduit d'injection assurant le passage du fluide entre les deux était sujet à une défaillance prématurée due aux contraintes cycliques imposées sur celui-ci par les impulsions de pression hydraulique imposées sur le conduit d'injection par la pompe à injection. En conséquence, ces conduits d'injection sont, 15 soit fabriqués dans des matériaux ayant une plus grande résistance à ces contraintes cycliques, ou sont remplacés périodiquement. Les matériaux résistant aux contraintes sont plus coteux que les matériaux non résistants aux contraintes et peuvent être plus difficiles à fabriquer. Le remplacement périodique des conduits d'injection fait 20 d'un matériau non résistant aux contraintes prend du temps et exige des dépenses supplémentaires. En résumé, l'invention sous une forme préférée est un procédé pour optimiser la géométrie d'un conduit assurant le passage d'un fluide entre l'orifice de sortie d'une pompe et un orifice d'entrée ayant 25 chacun un emplacement fixe, o la pompe impose une impulsion de pression périodique sur le tuyau composant le conduit. Ce conduit peut être trouvé entre l'orifice de sortie d'une pompe à injection de carburant et l'orifice d'entrée d'une buse d'injection de carburant. Ce procédé comprend les étapes d'identification d'un modèle de base de conduit 30 selon les pratiques traditionnelles de l'industrie correspondant à l'application concernée, et de détermination initiale du nombre minimal de coudes requis par le modèle de base du conduit. Si le tuyau peut être acheminé entre l'orifice de sortie de la pompe et l'orifice d'entrée sans qu'aucun coude ne soit requis, une analyse par les éléments finis est exécutée pour déterminer la charge minimale et maximale sur le tuyau imposée par l'impulsion de pression prévue, et la matière du tuyau est 5 sélectionnée pour satisfaire aux facteurs de sécurité du projet avec un cot matériel minimal. Si le tuyau doit être coudé, l'itinéraire de coudes est établi pour répondre le mieux possible aux contraintes d'installation définies par l'agencement du projet, une détermination est effectuée quant au fait que le conduit doit être ou non acheminé sur un seul plan 1o au lieu de plans multiples, l'axe de l'orifice d'entrée est aligné sur l'axe de l'orifice de sortie de la pompe, si ceci est autorisé par l'emplacement et l'orientation de l'extrémité de décharge du conduit selon l'itinéraire de coudes proposé, la quantité de coudes est vérifiée afin d'être minimisée, les rayons des coudes sont maximisés en tenant compte des contraintes 15 de l'installation en utilisant un rayon commun, une analyse par les éléments finis est exécutée pour déterminer la charge minimale et maximale sur le tuyau imposée par l'impulsion de pression prévue, et la matière du tuyau est sélectionnée pour satisfaire aux facteurs de sécurité du projet avec un cot matériel minimal. Un objet de la présente invention est de proposer un procédé novateur et amélioré pour optimiser la géométrie d'un conduit assurant le passage d'un fluide entre l'orifice de sortie d'une pompe et un orifice d'entrée, la pompe et l'orifice d'entrée ayant chacun un emplacement fixe. Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé novateur et amélioré pour optimiser pour optimiser la géométrie d'un conduit assurant le passage d'un fluide entre l'orifice de sortie d'une pompe à injection de carburant et l'orifice d'entrée d'une buse d'injection de carburant. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture des dessins et de la description. La présente invention peut être mieux comprise, et ses nombreux objets et avantages apparaîtront plus clairement aux personnes du métier à l'examen des dessins en annexe, dans lesquels: la figure 1 est une vue de dessus latérale d'un système d'injection de carburant; la figure 2 est une vue de dessus frontale du système d'injection de carburant de la figure 1; la figure 3 est une vue de haut partielle d'un moteur ayant le système d'injection de carburant de la figure 1, illustrant un conduit 1o d'injection configuré selon la présente invention; les figures 4a, 4b et 4c sont des vues de haut schématiques du système d'injection de carburant de la figure 1, illustrant le déplacement, induit par les impulsions d'injection, de trois conduits d'injection qui sont identiques, à l'exception de la configuration des 15 coudes; et la figure 5 est un organigramme illustrant le procédé concerné d'optimisation de géométrie de conduit d'injection. Sur les figures 1 et 2, les systèmes d'injection de carburant 10 comprennent une pompe à injection 12, une buse d'injection 14, et un 20 conduit d'injection 16 assurant le passage d'un fluide entre celles-ci. Le conduit d'injection 16 a une première extrémité 18 couplée à l'orifice de sortie de la pompe à injection 20 via un écrou 22 et un raccord par cylindre taraudé 24, et une seconde extrémité 26 qui peut être couplée à l'orifice d'entrée de la buse d'injection par un autre écrou et un autre 25 raccord par cylindre taraudé. En variante, la seconde extrémité 26 du conduit d'injection 16 peut être raccordée par intégration au corps de la buse d'injection 14. La pompe à injection 12 et la buse d'injection 14 sont tous deux montés en place de façon rigide de telle sorte que l'orifice de sortie de la pompe à injection 20 et la buse d'injection 28 ne 30 sont pas généralement alignés. Pour assurer un trajet d'écoulement entre l'orifice de sortie de la pompe à injection 20 et l'orifice d'entrée de la buse d'injection 28 sans la nécessité de raccords dans le conduit d'injection 16, le conduit d'injection 16 est formé à partir du tuyau, ce qui facilite la formation de coudes dans le conduit. Dans les systèmes d'injection de carburant traditionnels, le 5 conduit d'injection est sujet à une défaillance prématurée due aux contraintes cycliques imposées par les impulsions de pression hydraulique dans le carburant. Durant le développement d'un conduit d'injection avec buse d'injection intégrée, il a découvert à l'improviste que la géométrie des coudes et l'orientation du conduit d'injection 16 10 entre des raccords d'extrémité montés de façon rigide a une influence majeure sur les contraintes imparties dans le conduit par les impulsions hydrauliques. Autrement dit, le conduit d'injection 16 se déplace dans une direction et sur une distance, à chaque impulsion d'injection, qui dépendent largement de la configuration des coudes du 15 conduit d'injection 16. Ce comportement est illustré sur les figures 4a, 4b et 4c, o trois conduits d'injection 30, 32, 34 ont été soumis à la même impulsion de pression interne (1500 bars), le conduit d'injection 30 de la figure 4a présentant le plus fort degré de flexion initiale et le conduit d'injection 34 de la figure 4c présentait le plus faible degré de 20 flexion initiale. Chacune des figures montre un conduit d'injection dans une position statique 30, 32, 34 et dans une position déplacée 30', 32', 34', avec une flèche indiquant la direction du déplacement entre la position statique et la position déplacée. Il a également été découvert que les principales contraintes se 25 produisent là o le conduit d'injection 16 rejoint l'orifice d'entrée de la buse d'injection 28, o elles proviennent d'un effort de torsion, et au raccord de la pompe, o elles proviennent d'un effort de rabotage d'avant en arrière. Ces efforts entraînent finalement une rupture par fatigue dans les plus fortes zones de contraintes prédites par l'analyse 30 par les éléments finis. Les contraintes et les facteurs de sécurité (FS) de ces variables sont indiqués au tableau 1 pour trois différents matériaux de conduits, différents niveaux de pression, et différents coudes de tuyauterie. Le tableau la illustre que la contrainte aux deux extrémités du conduit d'injection 16 doit être évaluée en fonction de la différence de dynamique à chaque extrémité. En optimisant la géométrie des coudes, les efforts dynamiques sur le conduit 16 peuvent être minimisés à des niveaux acceptables de la façon la plus économique. Sur la figure 3, la pompe d'injection 12 et la buse d'injection 14 sont montés toutes deux en bloc sur le moteur 36 desservi par le système d'injection de carburant 10. Du fait que la conception du moteur détermine la position des axes 38, 40 de l'orifice d'entrée de la 1o buse d'injection 28 et de l'orifice de sortie de la pompe à injection 20, cette conception impose des contraintes sur la géométrie du conduit d'injection 16. Toutes différences de hauteur 42 entre l'orifice d'entrée de la buse d'injection 28 et l'orifice de sortie de la pompe à injection 20 imposées par la conception de la buse d'injection 14, de la pompe à 15 injection 12 ou du moteur 36 impose également des contraintes sur la géométrie du conduit d'injection. Enfin, les limitations liées à la hauteur libre et les composants 44 interférant d'un compartiment moteur à l'autre 44 peuvent également imposer des contraintes sur la géométrie du conduit d'injection 16. Comme illustré sur la figure 5, le procédé d'optimisation du conduit d'injection démarre par l'identification du modèle de base du tuyau 46 selon les pratiques traditionnelles de l'industrie pour l'application concernée. Les facteurs liés au modèle de base sont les contraintes d'installation (décrites plus haut), le type de raccords 25 d'extrémités utilisés, et les cotes du tuyau. Une fois le modèle de tuyau de base identifié, une détermination initiale est effectuée en 48 quant au nombre minimal de coudes requis par le modèle de tuyau de base. Si le tuyau peut être acheminé en ligne droite depuis l'orifice de sortie de la pompe à injection et l'orifice d'entrée 50 de la buse d'injection (sans 30 qu'aucun coude soit nécessaire), une analyse par les éléments finis est exécutée en 52 pour déterminer la charge minimale et maximale sur le tuyau imposée par l'impulsion de pression prévue. La matière du tuyau est alors sélectionnée en 54 pour satisfaire le facteur de sécurité de la conception avec un cot matériel minimal. Si le tuyau doit être coudé en 56, l'itinéraire de coudes le mieux adapté aux contraintes d'installation définies par l'agencement du projet est établi en 58. Une 5 détermination est effectuée quant au fait que le tuyau est ou non acheminé sur un seul plan (XY) au lieu de plans multiples (XYZ) en 59. L'axe de l'orifice d'entrée est aligné avec l'axe de l'orifice de sortie 60 de la pompe à injection si ceci est autorisé par l'emplacement et l'orientation de l'extrémité de décharge 26 du conduit d'injection 16 1o pour l'itinéraire de coudes proposé. L'itinéraire de coudes proposé est alors évalué pour vérifier que cet itinéraire représente le nombre minimal de coudes dans le tuyau 62. Si un autre itinéraire est disponible qui réduit le nombre de coudes en 64, il est évalué aux étapes 48, 50, 56, 58, 60, 62 ci-dessus. En l'absence d'autre itinéraire 15 réduisant le nombre de coudes 66, les rayons de courbure sont maximisés en tenant compte des contraintes de l'installation en utilisant un rayon commun 68. Une fois maximisés les rayons de courbure, une analyse par les éléments finis est exécutée en 52 pour déterminer la charge minimale et maximale sur le tuyau imposée par 20 l'impulsion de pression prévue pour chaque configuration possible de tuyau. La solution entraînant le moins de contraintes est alors sélectionnée en 54 afin de satisfaire le facteur de sécurité du projet avec le cot matériel minimal. Il est précisé que le procédé décrit ci-dessus s'applique à tout 25 conduit de transfert de fluide assurant un passage de fluide entre deux points fixes et sujet à des impulsions de pression internes. En complément, alors que les modes de réalisation préférés ont été illustrés et décrits, diverses modifications et substitutions peuvent être effectuées au niveau de ceux-ci sans s'écarter de l'esprit et des limites 30 de l'invention. Par conséquent, il est précisé que la présente invention a été décrite à titre indicatif et non limitatif. Raccord d'extrémité Extrémité en olive -. -- TS max. moy. équiv plage. éqiv FEA rS FS 15 TS max. Noy. équiv. Plage equivu. PEAFS r [os c r(p.i) tss (pi) utilisé dans tuyau std >fefufm (pli) a, utilisé da-s tuyau std recrnum ipi (bar> iAR aprés HT tlpi P.. n Auprés HT tuyau P.. Br inhUIçS.ó35J L355 1927 1921 7.571 1.05 6,7 'So- 7055 8065 2.06, 2.14 "4".5' GtrerO 40,[L'35> 4900 29725 29225 0.5 0.52 1.1u 42460 I___-_..q, 196.30 0.74 0.79 1.65 Gt( - 25909 îMaab _________ 0.75 0.75 1. 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(psi] moy. équiv. plage IPI (bar) & S FS FEA utilisé dans SAR FS tuyau std après HT FS tuyau premium après HT Â Sou Slraighl (6.35) 36377 1818g 0.80 0.83 1.78 G3en 0 (635} 36377 18189 0.80 0.83 1.78 Gen 1 (s) 29989 19385 0.75 0.78 1,67 Gan 1 (5.35) 36377 1818U 0.80 0,83 î.78 Gcn 2 (6.35) 38377 18189 0.80 0.83 1. 7B Gea 0 (&.35) 29102 14551 1.00 1.04 2.Z2 Gen I (5) 2399$ 15508 0.94 0. 98 2.0$ Gen ô (6.35) 28102 14651 1.00 1.04 2.22 Can 2 (6.35) 29102 14551 1.00 1.04 2.2Z Gen 0 (6.35) 24251 12126 1.20 1.25 2.67 Gearn 6) 19993 12923 1.13 1.17 2.50 Gen 1 (5.35) 24251 12126 1.20 1.2S 2,67 CGen 2 (6.3S) 24251 12126 1,20 125 2.57 ó0È GerCen 0 (6.35) 19401 S701 1.,0 1.56 3.33 Gen I (8) 15994 10339 1.41 1.46 3.13 Gen l (6.35) 19401 S701 1.50 1.56 3. 33 Gen 2 (6.35) 19401 9701 1,50 1.56 3.33 J..-......-. . _.... . tuyau US (psi) YS (psi) EL Wp$s FEA P&P 51d P&P premiumrn 50000 56000 103667 35000 32933 85833 O00 26000 51833.5 c après HT TABLE 1 b REVENDICATIONS 1. Procédé pour optimiser la géométrie d'un conduit (16) assurant le passage d'un fluide entre l'orifice de sortie d'une pompe (12) et un 5 orifice d'entrée, la pompe (12) et l'orifice d'entrée ayant chacune un emplacement fixe, le conduit (16) étant constitué d'un tuyau, la pompe (12) imposant une impulsion de pression périodique sur ce tuyau, ce procédé comprenant les étapes suivantes: a) identifier un modèle de base de conduit (16) utilisant les i0 pratiques traditionnelles dans l'industrie pour l'application concernée; b) effectuer une détermination initiale quant au nombre minimal de coudes requis par le modèle de conduit de base (16), 1) passer à l'étape (c) si le tuyau peut être acheminé en ligne droite entre l'orifice de sortie de la pompe (12) et l'orifice d'entrée sans 15 qu'aucun coude ne soit requis, 2) si le tuyau doit être coudé, i) établir l'itinéraire des coudes répondant le mieux aux contraintes de l'installation définies par l'agencement du projet, ii) vérifier que la quantité de coudes est minimisée et revenir à 20 l'étape (b) si le nombre de coudes doit être réduit, c) exécuter une analyse par les éléments finis pour déterminer la charge minimum et maximum sur le tuyau imposée par l'impulsion de pression prévue; et d) sélectionner la matière du tuyau de façon à satisfaire aux 25 facteurs de sécurité du projet avec un cot matériel minimal. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel les sous-étapes intermédiaires (i) et (ii), à l'étape (b)(2) comprennent également une sous-étape d'alignement de l'axe de l'orifice d'entrée avec l'axe de l'orifice de sortie de la pompe (12) si ceci est autorisé par l'emplacement et l'orientation de l'extrémité de décharge du conduit correspondant à l'itinéraire de coudes proposé. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel les sous-étapes intermédiaires (i) et (ii), à l'étape (b)(2) comprennent également la sous5 étape de détermination du fait que le conduit peut être ou non acheminé sur un seul plan au lieu de plans multiples. 4. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, après la sousétape (ii), l'étape (b) (2) comprend également la sous-étape de maximisation des rayons des coudes en tenant compte des contraintes 1o d'installation. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel les rayons des coudes sont maximisés en utilisant un rayon commun. 6. Procédé d'optimisation de la géométrie d'un conduit (16) assurant le passage d'un fluide entre l'orifice de sortie d'une pompe (12) 15 et un orifice d'entrée, la pompe (12) et l'orifice d'entrée ayant chacun un emplacement fixe, le conduit étant constitué d'un tuyau, la pompe (12) imposant une impulsion de pression périodique sur le tuyau, ce procédé comprenant les étapes suivantes: a) identifier un modèle de base de conduit (16) utilisant les 20 pratiques traditionnelles dans l'industrie pour l'application concernée; b) effectuer une détermination initiale quant au nombre minimal de coudes requis par le modèle de conduit de base (16), 1) passer à l'étape (c) si le tuyau peut être acheminé en ligne droite entre l'orifice de sortie de la pompe (12) et l'orifice d'entrée sans 25 qu'aucun coude ne soit requis, 2) si le tuyau doit être coudé, i) établir l'itinéraire des coudes répondant le mieux aux contraintes de l'installation définies par l'agencement du projet, ii) déterminer si le conduit (16) doit être acheminé sur un seul 30 plan au lieu de plans multiples, iii) aligner l'axe de l'orifice d'entrée avec l'axe de l'orifice de sortie de la pompe (12) si ceci est autorisé par l'emplacement et l'orientation de l'extrémité de décharge du conduit (16) correspondant à l'itinéraire de coudes proposé, iv) vérifier que la quantité de coudes est minimisée et revenir à l'étape (b) si le nombre de coudes doit être réduit, v) maximiser les rayons des coudes en tenant compte des contraintes d'installation en utilisant un rayon commun: c) exécuter une analyse par les éléments finis pour déterminer la 1o charge minimum et maximum sur le tuyau imposée par l'impulsion de pression prévue; et d) sélectionner la matière du tuyau de façon à satisfaire aux facteurs de sécurité du projet avec un cot matériel minimal.