Brevet FR2853363A1 — publié le 20041008

Dispositif d'application de précontrainte sur éléments actifs d'un injecteur de carburant La présente invention se rapporte au domaine 5 technique des injecteurs basés sur l'utilisation d'éléments actifs. Plus particulièrement, l'invention concerne un type d'assemblage pour un actionneur basé sur la déformation d'une structure mécanique à fréquence ultrasonore. Un tel 10 actionneur peut être utilisé par exemple pour réaliser un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne. Un tel dispositif est décrit par exemple dans la demande de brevet FR2801346. Ce dispositif est basé sur la déformation d'une structure sous l'action d'éléments actifs qui peuvent être par exemple des céramiques piézoélectriques, et qui constituent un moyen de mise en vibration cyclique lorsque ceux-ci sont pilotés par le système électronique de 20 contrôle moteur. Le dispositif comprend ainsi un injecteur relié à un circuit d'alimentation en carburant sous une pression adaptée, cet injecteur comportant une buse d'injection à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'éjection 25 destiné à coopérer avec les moyens de mise en vibration cyclique précités d'une part et d'autre part avec une aiguille dite " sortante " ou suspendue qui sous l'action des oscillations mécaniques de la dite buse permet de contrôler finement l'ouverture de l'orifice d'éjection. Selon ce même dispositif, la mise sous contrainte des éléments actifs est assurée par la partie arrière de l'injecteur constituant le boîtier, lorsque le dit boîtier vient coopérer avec la buse d'injection selon un assemblage de type vissé. Les éléments actifs sont alors centrés et maintenus sous contrainte entre le dit boîtier et la buse d'éjection, l'effort de serrage entre ces deux éléments étant ainsi ajusté la valeur désirée. Dans tous les cas, avec ce type de dispositif basé 5 sur les déformations d'une structure mécanique sous l'effet d'éléments actifs, on est donc confronté au problème consistant à assurer d'une part une mise sous contrainte contrôlée des éléments actifs afin de permettre un fonctionnement optimal de L'injecteur et d'autre part venir 10 brider l'injecteur sur la culasse sans que l'effort de serrage transmis par la fourchette de bridage ne vienne perturber ni les déformations de la buse, ni le fonctionnement des éléments actifs. Avec ce type de réalisation, l'injecteur comprend 15 l'alésage intérieur de la buse est traversée à la fois par une aiguille et également, dans sa partie supérieure par l'extrémité du boîtier. Etant donné que le diamètre maximal de l'injecteur doit permettre une adaptation dans des puits d'injection de 20 plus en plus exigus, cette augmentation se fait au détriment de la section laissée disponible aux matériaux actifs, que l'on est alors amené à réduire pour satisfaire aux exigences d'encombrement radial maximum de l'injecteur. Ainsi, en réduisant la section de matériaux actifs, 25 on réduit significativement les performances de l'injecteur particulièrement au niveau du débit statique maximum. Or, cette modification va dans le sens contraire du besoin des motoristes, particulièrement dans le cas de moteurs diesels à injection directe dans lesquels le débit maximum est un 30 facteur déterminant pour les performances pleine charge du moteur. L'effort de serrage de l'injecteur dans la culasse ne doit pas venir perturber la valeur de la précontrainte appliquée aux éléments actifs. De même, les dilatations thermiques de la structure en fonctionnement ne doivent pas venir modifier la valeur de la précontrainte initiale appliquée aux éléments actifs. Une solution permettant de découpler l'effort de 5 précontrainte des éléments actifs de l'effort de bridage sur la culasse est décrite dans la demande de brevet français non publiée 01-14521. Dans la demande de brevet français non publié 01 14521, on utilise un fourreau intermédiaire pour venir 10 exercer l'effort de serrage selon la base de la buse d'injection formant un transducteur. Un inconvénient à ce type de réalisation est l'encombrement accru du système de bridage par rapport à une solution plus classique selon laquelle la fourchette de bridage viendrait coopérer avec 15 l'extrémité supérieure du boîtier. Un autre inconvénient réside dans le nombre plus élevé de pièces nécessaire au bridage, et possédant des tolérances de fabrication importantes, génératrices d'un surcoût sur la globalité du système. Un autre problème lié à ce mode de réalisation provient du coefficient de dilatation thermique peut être très différent entre les matériaux actifs et la partie supérieure du transducteur qui traverse l'empilement des dits matériaux actifs. De ce fait, les contraintes 25 thermiques en fonctionnement peuvent induire des modifications de longueur différentes entre ces deux matériaux, ce qui risque de se traduire par une modification de la valeur de la précontrainte appliquée aux matériaux actifs. La présente invention se propose donc de résoudre l'ensemble de ces problèmes par une structure d'assemblage différente entre la buse de l'injecteur, le boîtier et les éléments actifs, de manière à s'affranchir des problèmes de thermique tout en simplifiant la forme des pièces, 35 réduisant ainsi les coûts de fabrication, et cela en conservant un découplage acoustique et mécanique entre les éléments actifs et le boîtier, de manière à pouvoir brider l'injecteur selon des moyens traditionnels, en utilisant une fourchette de bridage coopérant avec l'extrémité supérieure du boîtier. Cette optimisation s'effectue notamment en utilisant un système de mise sous contrainte des éléments actifs solidaire du boîtier, mais possédant une élasticité intrinsèque suffisante pour pouvoir absorber les 10 déformations induites d'une part par les contraintes thermiques et d'autre part par les efforts statiques de serrage transmis par le dit boîtier lors du montage de l'injecteur dans la culasse. L'invention consiste donc en un dispositif 15 d'application de précontrainte sur des éléments actifs d'un injecteur de carburant, l'injecteur comprenant une buse d'injection montée dans un boîtier et déformée sous l'action d'un empilement d'éléments actifs montés sur la buse, caractérisé en ce que les éléments actifs sont 20 empilés sur un élément tubulaire assurant le montage de la buse d'injection sur le boîtier et des moyens éléments acoulissants de mise en précontrainte des éléments actifs montés coulissants sur l'élément tubulaire. Ainsi, avec le dispositif selon l'invention on 25 évite que les déformations aient une répercussion sur la valeur de la précontrainte appliquée aux éléments actifs. Avec ce type de montage, on obtient ainsi un avantage essentiel en ce que l'utilisation des moyens élastiques de mise en précontrainte autorise un serrage de 30 l'injecteur par le boîtier sans que les efforts de serrage ne viennent perturber ni le fonctionnement de l'injecteur, ni la valeur de la précontrainte appliquée aux éléments actifs. Un autre avantage de ce type d'assemblage est de 35 supprimer le risque que les dilatations de la structure sous l'effet des contraintes thermiques ne génèrent une modification de la précontrainte appliquée aux matériaux actifs. Parallèlement, la partie acoustique de l'injecteur 5 est toujours limitée aux seuls éléments transducteurs, partie arrière et éléments actifs ce qui laisse une plus grande liberté de conception dans la forme du boîtier. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci10 après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un injecteur assemblé et fixé sur son support. Conformément aux dessins annexés, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. En se référant à la figure 1, nous avons représenté une vue d'ensemble en coupe axiale de la partie inférieure 20 d'un injecteur utilisant le dispositif de mise sous contrainte d'éléments actif objet de la présente invention. Le dispositif décrit ci-après permet de fixer un injecteur 1 sur un support 6 avec une force Fs transmise depuis la partie haute 12 sur une zone d'appui 7 via un 25 élément tubulaire 20, sans affecter la précontrainte établie sur le matériau actif 17, laquelle précontrainte doit être calibrée et invariable au montage de l'injecteur 1 sur tout support. L'injecteur 1 est fixé sur le support 6, par 30 exemple, à l'aide d'un système de bride. Ce système comprend de façon connu en soi, un tige 10 filetée à ses deux extrémité 2, 3. Une première extrémité 2 est visée dans le support 6. La deuxième extrémité 3 comprend un écrou 9 permet de serrer une bride 11 pour appliqué la 35 force Fs sur l'injecteur 1. Autour de l'élément tubulaire 20 sont disposés des éléments actifs 17 compris entre la buse d'injection formant un transducteur 19 qui constitue la partie émettrice et une partie intermédiaire 18, les éléments 5 actifs 17 et la partie intermédiaire 18 étant libres de coulisser axialement le long de l'élément tubulaire 20. La buse d'injectionl9 est formée de deux parties cylindriques de diamètre décroissant et coopère selon son extrémité basse avec une aiguille, non représentée, formant 10 les moyens obturateurs de la buse d'injection 19. La buse 19 coopère avec la le support 6 par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité 8. Le support 6 peut être la surface supérieure de la culasse d'un moteur. La buse d'injection 19 est similaire à celle connue 15 dans la demande de brevet FR2801346 à savoir qu'elle est formée de deux parties cylindriques ou sensiblement coniques de diamètres décroissants. La partie supérieure de la buse d'injection 19 se termine selon l'une de ses extrémités par une surface plane 20 destinée à coopérer avec les éléments actifs 17 et coopère selon l'autre de ses extrémités avec la culasse, par exemple par le biais d'une collerette circulaire telle que décrite dans la demande de brevet FR 2801346. La seconde partie cylindrique est de diamètre 25 sensiblement inférieur et son l'extrémité basse forme le nez d'éjection. Ce dernier est destiné à déboucher à l'intérieur de la chambre de combustion. L'ensemble de la buse d'injection formant un transducteur ainsi formé par les deux parties cylindriques 30 présente une cavité intérieure cylindrique traversante destinée à amener le carburant sous pression depuis le boîtier d'injecteur jusqu'au nez d'éjection. L'empilement de matériau actif 17 est maintenu en précontrainte par l'action de moyens de serrage 14. Selon 35 la variante de réalisation de la figure 1, les moyens de serrage comprennent un écrou 14 dont l'extrémité inférieure 15 coopère avec une partie intermédiaire 18, ellemême en appuie sur les matériaux actifs 17. L'extrémité inférieure de l'écrou 15 est conformée 5 de manière à posséder une élasticité importante devant l'élasticité du reste de la structure de l'injecteur à savoir les éléments actifs 17, la partie intermédiaire 18, la buse d'injection 19 et de l'élément tubulaire 20. Selon le mode de réalisation représenté, 10 l'extrémité partie 15 et l'écrou de serrage 14 forment une seule pièce mais il est tout à fait envisageable que ces deux éléments constituent deux parties distinctes. Un moyen de blocage mécanique 13, qui peut être par exemple un anneau élastique permet de bloquer le mouvement 15 de l'écrou 14 le long du filetage 4. Ce moyen de blocage 13 est mis en place après le serrage de l'écrou 14 et permet ainsi d'éviter que le dit écrou 14 ne se desserre en fonctionnement sous l'action des vibrations par exemple. L'élément tubulaire 20 relie la buse d'injectionl9 20 à l'extrémité supérieure de l'injecteur formant un boîtier 12. Cette partie coopère selon son extrémité inférieure avec le transducteur 19, traverse l'empilement des matériaux actifs 17 ainsi que la pièce intermédiaire 18 et coopère selon son extrémité supérieure avec le boîtier 12. 25 Selon le mode de réalisation choisi, il est possible que cette partie cylindrique fasse partie intégrante du boîtier, ou bien de la buse 19, ou, soit indépendante du boîtier et de la buse 19 et coopère avec ces derniers par l'intermédiaire d'une liaison, qui peut 30 être de type de type vis/ écrou, ou encore soudée. Quel que soit le mode de réalisation choisi, la seule nécessité est de prévoir au moins une liaison non permanente entre la partie cylindrique 20, le boîtier 12 et le transducteur 19. Selon le mode de réalisation représenté ici, la partie cylindrique 19 est indépendante et coopère avec le boîtier d'une part et la buse d'autre part par l'intermédiaire de deux filetages 4 et 5 qui formant deux liaisons vis /écrou. Un filetage 4 pratiqué dans la partie supérieure de l'élément tubulaire 20 coopère également selon son extrémité basse avec l'écrou 14, de manière à ce que la rotation de l'écrou 14 autour de l'axe de l'élément 10 tubulaire 20 permettent de contraindre la coupelle élastique 15, qui transmet alors en se déformant, un effort aux éléments actifs 17 par l'intermédiaire de la pièce intermédiaire 18. L'élasticité de la coupelle 15 est telle que la déformée de cette dernière pour atteindre la force de contrainte requise sur le matériau actif 17 représente une variation de longueur L de la coupelle élastique 15 selon l'axe de l'élément tubulaire 20. Cette longueur L correspond aussi à la course utile de l'écrou 14, le long 20 du filetage 4 conformé sue le tube 20. Cette longueur L est très élevée devant la variation de longueur h de l'élément tubulaire 20 liée aux déformations causées d'une part par les dilatations thermiques en fonctionnement et d'autre part par l'effort 25 Fs de serrage appliquée selon l'extrémité de l'élément tubulaire 20 via le boîtier 12 servant de surface d'appui pour l'application de cette force Fs. La force Fs exercée sur la partie haute 12 est transmise via l'élément tubulaire 20 au transducteur 19 et 30 répartie sur la surface 7 du joint d'étanchéité 8 entre l'actionneur 1 et le support 6. Ainsi pour une variation initiale de longueur L de la coupelle élastique 15 permettant d'appliquer la force Fa répartie sur la surface des éléments actifs 17, la 35 variation de longueur h de l'élément tubulaire 20 liée à l'application d'une force Fs sur le tube vient s'ajouter à la variation de longueur initiale L de la coupelle 15, de sorte que sa variation de longueur finale après application de la force d'appui Fs est L+h et génère une variation de la force Fa. La coupelle 15 a une élasticité très élevée comparée à celle de l'élément tubulaire 20 et donc L étant très grand devant h, typiquement cent fois plus important, la variation de la force Fa appliquée sur les éléments 10 actifs 17 n'est donc que de un pour cent (1% ) dans ce cas même si la force d'appui appliquée Fs est plus importante que la force de précontrainte Fa sur les matériaux actifs 17. De même lorsque des dilatations thermiques se 15 produisent, les variations de longueurs correspondantes de l'élément tubulaire 20, des éléments actifs 17 et de la partie arrière 18 les uns par rapport aux autres génèrent en résultante une variation de leur position relative du même ordre de grandeur que h et les variations de force 20 induites sur la force Fa générée par la coupelle élastique sont donc aussi de l'ordre de un pour cent. Le fonctionnement des matériaux actifs 17 nécessitant de maintenir une précontrainte fixe Fa avec le moins possible de variation, l'application de la 25 précontrainte Fa au moyen de la coupelle élastique 15 permet donc d'une part de découpler son application de celle des forces Fs de maintien de l'injecteur 1 sur son bâti 6 et d'autre part de découpler les effets de dilatations thermiques, des variations de l'ordre de plus 30 ou moins un ou deux pour cent sur la valeur de la précontrainte des matériaux actifs n'ayant pas d'influence notable sur leur fonctionnement. Entre la partie cylindrique 20 et l'empilement des matériaux actifs 17, il est possible de ménager un jeu fonctionnel non représenté destiné à permettre le passage des fils d'alimentations en courant électrique. L'intérêt de disposer alors d'un anneau intermédiaire de serrage 18 entre l'écrou 14 et les 5 matériaux actifs 17 est de faciliter le passage des fils d'alimentations et le montage de l'ensemble. Pour cela, une solution consiste à ménager un canal radial (non représenté) selon l'une des Laces de l'anneau intermédiaire 18 pour y passer les fils. Compte tenu des différences de section qui coopèrent entre elles, le mouvement de rotation de la partie 15 durant le serrage de l'écrou 14 n'est pas transmis à la bague intermédiaire 18 et il est ainsi possible d'indexer convenablement la sortie des fils en 15 fonction de la position du connecteur électrique (non représenté) situé par exemple sur l'arrière du boîtier 12. Avec ce type de réalisation, on obtient ainsi tout à la fois une réduction du nombre de pièces, une plus grande simplicité de montage, une sensibilité moindre de la 20 précontrainte des éléments actifs aux contraintes thermiques, et la possibilité de serrer l'injecteur selon l'extrémité supérieure du boîtier sans que cela n'interfère avec la valeur de la précontrainte appliquée aux matériaux actifs. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. il RENVENDICATIONS l.Dispositif d'application de précontrainte sur des éléments actifs (17) d'un injecteur de carburant, 5 l'injecteur (1) comprenant une buse d'injection (19) montée dans un boîtier (12) et déformée sous l'action d'un empilement d'éléments actifs (17) montés sur la buse, caractérisé en ce que les éléments actifs (17) sont empilés sur un élément tubulaire (20) assurant le montage de la 10 buse d'injection (19) sur le boîtier (12) et des moyens (14, 15) élastique de mise en précontrainte des éléments actifs (17) montés coulissant sur l'élément tubulaire (20). 2.Dispositif d'application de précontrainte sur des éléments actifs d'un injecteur de carburant selon la 15 revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (14, 15) de mise en précontrainte sont réalisé dans un matériau ayant une élasticité très supérieure à celle de la liaison entre le boîtier (12) et la buse d'injection (19). 3.Dispositif d'application de précontrainte sur des 20 éléments actifs d'un injecteur de carburant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (14, 15) de mise sous contrainte des matériaux actifs (17) sont constitués par un assemblage élastique qui coopère selon l'une de ses faces avec les matériaux actifs (17). 4.Dispositif d'application de précontrainte sur des éléments actifs d'un injecteur de carburant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de mise sous contrainte sont constitués d'un écrou (14) solidaire d'une coupelle (15) élastique qui vient en appui 30 sur la face supérieure d'une pièce (18) intermédiaire, cette pièce intermédiaire (18) étant en contact selon son autre face avec les éléments actifs (17). 5.Dispositif d'application de précontrainte sur des éléments actifs d'un injecteur de carburant selon la 35 revendication 4, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (18) est dimensionnée de manière à obtenir un fonctionnement acoustique correct de la buse d'injection (19). 6.Dispositif d'application de précontrainte sur des 5 éléments actifs d'un injecteur de carburant selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la coupelle est dimensionnée de manière à ce que son élasticité permette que sa déformée pour atteindre la force de contrainte requise sur le matériau actif (17), corresponde à la course 10 de l'écrou (14) le long de l'axe de l'élément tubulaire (20) du tube intermédiaire reliant le boîtier (12) et la buse d'injection (19). 7.Dispositif d'application de précontrainte sur des éléments actifs d'un injecteur de carburant selon l'une des 15 revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la longueur de déformation de la coupelle élastique (15) sous effort est déterminée de sorte qu'elle soit très élevée devant la variation de longueur de l'élément tubulaire sous les efforts de serrage de l'injecteur dans la culasse (6). 8.Dispositif d'application de précontrainte sur des éléments actifs d'un injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élasticité de la coupelle (15) est de l'ordre de cent fois plus grande que l'élasticité de l'élément (20) tubulaire.