Brevet FR2857059A1 — publié le 20050107

Domaine de l'invention La présente invention concerne un injecteur de carburant pour un moteur à combustion interne comprenant une chambre de pression qui se remplit de carburant et est délimitée par un siège de soupape essentiellement conique ainsi qu'une aiguille d'injecteur coulissant longitudinalement dans la chambre de pression, l'extrémité de l'aiguille du côté du siège de soupape ayant une surface d'étanchéité essentiellement conique formée pour que lorsque la surface d'étanchéité est en appui contre le siège d'étanchéité, une partie de la surface d'étanchéité allant jusqu'au t o diamètre hydraulique du siège soit exposée au carburant de la chambre de pression, ainsi qu'un ressort de fermeture précontraint, agissant sur l'aiguille d'injecteur pour exercer sur celle-ci une force dirigée vers le siège de soupape alors que lorsqu'on atteint une pression d'ouverture dans la chambre de pression, l'aiguille d'injecteur est soumise à une force d'ouverture hydraulique soulevant l'aiguille par rapport à son siège de soupape. Etat de la technique On connaît déjà un tel injecteur de carburant pour un mo- teur à combustion interne. Il est par exemple décrit dans le document DE- 124 703-Al. Dans cet injecteur de carburant, une chambre de pression réalisée dans le corps de l'injecteur reçoit une aiguille d'injecteur coulis- sant longitudinalement. La chambre de pression est délimitée du côté de la chambre de combustion par un siège de soupape conique d'où partent un ou plusieurs orifices d'éjection (encore appelés orifices d'injection) dé- bouchant dans la chambre de combustion. L'extrémité de l'aiguille d'injecteur du côté du siège de soupape présente une surface d'étanchéité essentiellement conique coopérant avec le siège de soupape pour ouvrir et fermer les orifices d'éjection et permettre suivant la position de l'aiguille d'injecteur, d'injecter le carburant de la chambre de pression à travers les orifices d'éjection. L'aiguille d'injecteur est sollicitée en direction du siège de soupape par une force de fermeture créée par un ressort de fermeture précontraint. Une force hydraulique d'ouverture s'oppose à la force de fermeture; cette force hydraulique agit entre autre sur des parties de la surface d'étanchéité de la soupape. La venue en appui contre le siège de soupape fait que lorsque l'injecteur est fermé, toute la surface d'étanchéité de la soupape n'est pas sollicitée par la pression du carburant dans la chambre de pression, mais seulement la surface correspondant au dia- mètre hydraulique du siège. On a ainsi une limite passant par le plan ra- dial de l'axe longitudinal de l'aiguille et ce n'est que jusqu'à cette limite que le carburant agit sur la surface d'étanchéité et crée une force d'ouverture correspondante opposée à la force de fermeture. Si la pression régnant dans la chambre de pression atteint la pression d'ouverture à la- quelle la force d'ouverture hydraulique compense la force de fermeture, l'injecteur de carburant s'ouvre. Si la pression régnant dans la chambre de pression est inférieure à la pression d'ouverture, l'aiguille d'injecteur reste en position de fermeture en appui contre le siège de soupape. L'injecteur de carburant, connu présente toutefois l'inconvénient que le diamètre hydraulique du siège (diamètre de siège à activité hydraulique) n'est pas constant. L'usure produite par l'appui de l'aiguille d'injecteur contre le siège de soupape fait que l'aiguille d'injecteur se creuse sensiblement dans le siège de soupape et au fur et à mesure une surface partielle plus réduite de la surface d'étanchéité sera sollicitée par la pression du carburant. Ainsi, alors que la force de fermeture reste constante, la pression d'ouverture sera augmentée car il faut vaincre la force de fermeture en agissant sur une surface plus petite. Cela modifie le comportement à l'injection, en particulier le point d'injection (instant de l'injection) et la dose injectée, ce qui se répercute de manière négative sur la combustion. Exposé et avantages de l'invention 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 la force exercée par le ressort de fermeture pré- contraint diminue en fonction du temps pour compenser au moins approximativement l'effet de l'augmentation du diamètre hydraulique du siège sur la pression d'ouverture. L'injecteur selon l'invention a l'avantage de maintenir au moins approximativement constante la pression d'ouverture pendant toute la durée de vie de l'injecteur. Le ressort de fermeture est conçu pour que la force de ressort engendrée par la précontrainte diminue par relaxation du ressort de fermeture en fonction du temps ce qui compense la diminution de la surface disponible du fait de l'augmentation du diamètre hydraulique du siège. Suivant un autre développement avantageux, dans des injecteurs dans lesquels la force de fermeture n'est pas exclusivement four-nie par la force développée par un ressort mais en outre par la pression hydraulique régnant dans la chambre de commande, on peut également concevoir le ressort de fermeture selon l'invention pour que la pression d'ouverture reste constante. Cela permet d'appliquer l'invention à tous les types d'injecteurs actuels. Selon un autre développement avantageux de l'objet de l'invention, le ressort de fermeture entoure l'aiguille d'injecteur ce qui permet une construction compacte. Le ressort de fermeture exécute ainsi la même course que l'aiguille d'injecteur ce qui produit une relaxation plus rapide de la matière de ressort, en fonction de l'importance de la course de l'aiguille d'injecteur. Comme l'usure de l'aiguille d'injecteur sur le siège de soupape et donc l'augmentation du diamètre hydrauliquement actif du siège de soupape sont ainsi d'autant plus grandes que la course de l'aiguille d'injecteur est grande, les deux effets se compensent. On a ainsi d'une part une augmentation coordonnée dans le temps du diamètre hydraulique actif du siège et d'autre part on aura la relaxation du ressort d'obturation. Il est particulièrement avantageux d'appliquer l'invention à un ressort de fermeture d'une aiguille d'injecteur dont la surface d'étanchéité comprend deux surfaces coniques partielles munies d'une arête d'étanchéité à la jonction des deux surfaces. Cela permet d'une part d'assurer une bonne étanchéité et d'autre part on aura également une pression surfacique importante dans cette zone et ainsi une usure élevée se traduisant par une augmentation rapide du diamètre hydraulique du siège d'étanchéité. Or, en utilisant un ressort de fermeture correspondant on aura une pression d'ouverture constante. Selon un autre développement avantageux, la force de ressort de fermeture, précontraint, diminue de 1 à 10 % par relaxation. Cela peut également être obtenu par une conception appropriée du ressort de fermeture et une matière de ressort appropriée, sans que cela ne présente de grande difficulté ; de façon générale, il suffit de compenser l'augmentation du diamètre hydraulique du siège d'étanchéité. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un injecteur de carburant représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un injecteur de carburant selon l'invention montrant schématiquement la chambre de combustion; la figure 2 est une vue à échelle agrandie de la partie II de la figure 1, montrant la surface d'étanchéité de la soupape et le siège de soupape d'une aiguille d'injecteur à l'état neuf; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 montrant l'aiguille 5 d'injecteur et le siège de soupape avec des traces d'usure; la figure 4 montre l'évolution du diamètre hydraulique du siège, celle de la force développée par le ressort, et celle de la pression d'ouverture en fonction du temps. Description du mode de réalisation to La figure 1 montre une coupe longitudinale d'un injecteur de carburant (ou soupape d'injection de carburant) selon l'invention. L'injecteur comprend un corps 1, une rondelle d'étranglement 4 et un organe de fixation 6 serrés les uns contre les autres par un écrou de serrage 2. Le corps 1 de l'injecteur comporte un perçage 3 dont l'extrémité est si- tuée du côté de la chambre de combustion et délimitée par un siège de soupape 13 de forme conique. Plusieurs orifices d'éjection (ou encore appelés orifices d'injection) 11 partent du siège de soupape 13. Ces orifices débouchent dans la chambre de combustion 8 du moteur à combustion interne. Le côté du perçage 3 à l'opposé du siège de soupape 13 s'élargit pour former une chambre à ressort 22; cette chambre reçoit du carburant à pression élevée arrivant par un canal d'alimentation 10 traversant la rondelle d'étranglement 4 et l'organe de fixation 6 puis la chambre à ressort 22 et le perçage 3. Le perçage 3 loge une aiguille d'injecteur 5 coulissant longitudinalement. L'extrémité de l'aiguille du côté du siège de soupape présente une surface d'étanchéité 9 essentiellement conique par laquelle l'aiguille d'injecteur 5 coopère avec le siège de soupape 13. L'aiguille d'injecteur 5 est guidée par ce segment médian dans le perçage 3; plusieurs parties meulées 17 permettent au carburant de passer de la chambre à ressort 22 sur les méplats 17 pour arriver en quantité suffisante. Entre l'aiguille d'injecteur 5 et la paroi du perçage 3 on a une chambre de pression 20. La pression régnant dans cette chambre sollicite un épaulement de pression 15 réalisé dans la zone du segment médian. La pression du carburant dans la chambre de pression 20 agit ainsi sur des parties de la surface d'étanchéité 9 engendrant une force d'ouverture diri- gée à l'opposée du siège de soupape 13 et appliquée à l'aiguille d'injecteur 5; cette force est engendrée par l'application de la pression sur l'épaulement de pression 15 et des surfaces partielles correspondantes de la surface d'étanchéité 9. L'extrémité de l'aiguille de soupape 5 à l'opposé du siège de soupape est entourée par un manchon 24; un ressort de fermeture 28 est monté avec précontrainte entre ce manchon et une coupelle à ressort 30. Le ressort est constitué dans cet exemple par un ressort hélicoïdal de compression. La coupelle à ressort 30 s'appuie sur un épaulement de l'aiguille d'injecteur 5 alors que le manchon 24 s'appuie contre la rondelle d'étranglement 4. La précontrainte du ressort de fermeture 28 engendre une force de fermeture appliquée en direction du siège de soupape 13 sur l'aiguille d'injecteur 5. La face frontale 32 de l'aiguille d'injecteur 5, le 1 o manchon 24 et la rondelle d'étranglement 4 délimitent une chambre de commande 26. Cette chambre est reliée par un organe d'étranglement d'alimentation 34 réalisé dans le manchon 24 à la chambre à ressort 22 ou au canal d'alimentation 10. La chambre à ressort 22 et le canal d'alimentation 10 forment ainsi une partie de la zone de haute pression de l'injecteur de carburant. Un organe d'étranglement de sortie 36 est de plus réalisé dans la rondelle d'étranglement 4. Cet organe d'étranglement relie la chambre de commande 26 à une soupape de commande 14 installée dans l'organe de support 6 et qui peut relier l'organe d'étranglement de sortie 36 à une chambre de collecte de carburant de fuite non représentée dans le dessin; dans cette chambre de collecte il règne toujours une pression de carburant plus faible. L'organe d'étranglement d'alimentation 34 et l'organe d'étranglement de sortie 36 sont accordés l'un en fonction de l'autre pour que lorsque la communication est ouverte par la soupape de commande 14, davantage de carburant peut passer par l'organe d'étranglement de sortie qu'à travers l'organe d'étranglement d'alimentation 34. Cela permet d'abaisser la pression du carburant dans la chambre de commande 26 et réduit ainsi de manière correspondante la force hydraulique de fermeture appliquée sur la face frontale 32. La pression régnant dans la chambre à ressort 22 ou dans la chambre de pres- Sion 20 est maintenue à un niveau élevé, prédéfini, par une alimentation correspondante de carburant par le canal d'alimentation 10. Comme il règne toujours une pression élevée dans la cham- bre de pression 20, les autres surfaces de pression c'est-à-dire l'épaulement de pression ou de poussée 15 et la surface d'étanchéité 9 ainsi que la précontrainte du ressort de fermeture 28 sont choisis pour que les forces d'ouverture s'exercent principalement sur l'aiguille d'injecteur 5 et la soulèvent du siège de soupape 13. Cela permet de libé- rer les orifices d'éjection 11 et le carburant peut passer de la chambre de pression 20, entre la surface d'étanchéité 9 et le siège de soupape 13 pour atteindre les orifices d'éjection 11 et être ainsi injecté dans la chambre de combustion 8 du moteur à combustion interne. En fermant l'organe d'étranglement de sortie 36 on augmente de nouveau la pression dans la chambre de commande 26 du fait de l'arrivée de carburant par l'organe d'étranglement d'alimentation 34 jusqu'à ce que la force de fermeture soit suffisante pour rappeler l'aiguille d'injecteur 5 dans sa position de fermeture en appui contre le siège de soupape 13. La pression à laquelle l'aiguille d'injecteur 5 s'ouvre jusque 1 o contre la force hydraulique régnant dans la chambre de commande 26 et la force développée par le ressort de fermeture 28 est appelée pression d'ouverture poe. il est important d'avoir une pression d'ouverture poe constante pour réaliser un dosage précis de la quantité injectée et ainsi de commander un point d'injection précis; ces deux conditions sont indis- pensables pour réaliser une combustion optimale. La pression d'ouverture poe dépend de manière déterminante des surfaces partielles des surfaces d'étanchéité de soupape sollicitée par la pression du carburant régnant dans la chambre de pression 20. Pour cela, la figure 2 montre une vue à échelle agrandie du détail I de la figure 1. La surface d'étanchéité 9 se compose d'une première surface tronconique 109 et d'une seconde surface conique 209 se rejoignant par une arête d'étanchéité 38. L'angle d'ouverture al de la première surface conique 109 est inférieure à l'angle d'ouverture b du siège de soupape 13 de forme conique; cet angle est lui-même inférieur à l'angle d'ouverture a2 de la seconde surface tronconique 209. Ainsi l'aiguille d'injecteur 5 s'appuie contre le siège de soupape 13 par l'arête d'étanchéité 38; dans cette zone cela se traduit par une pression surfacique importante et ainsi on réalise une bonne étanchéité. La différence angulaire dl = b - al est de préférence inférieure à la différence angulaire d2 = b - a2 pour avoir ainsi une différence angulaire inverse pour le siège. Lorsque l'injecteur de carburant est neuf comme cela est représenté à la figure 2, la partie de la surface d'étanchéité 9 exposée à la pression du carburant dans la chambre de pression 20 est toute la pre- mière surface conique 109. Le diamètre hydraulique DHyd qui correspond à la limite intérieure de cette zone de la surface d'étanchéité 9 de l'injecteur correspond alors avec celui de l'arête d'étanchéité 38. Mais comme l'aiguille d'injecteur 5 arrive en permanence à vitesse élevée contre le siège de soupape 13, conique, cet endroit est exposé à de l'usure si bien que l'arête d'étanchéité 38 s'enfonce dans le siège de soupape 13. La figure 3 montre cette situation. Il apparaît que seulement une partie de la première surface conique 109 est exposée à la pression du carburant régnant dans la chambre de pression 20. La limite atteinte par le carburant est celle correspondant au diamètre hydraulique du siège DHyd qui est maintenant plus grand que celui que l'on a à l'état neuf. La force d'ouverture exercée sur l'aiguille d'injecteur 5 diminue de sorte que pour une pression donnée régnant dans la chambre de commande 26, l'aiguille d'injecteur 5 ne s'ouvre qu'avec une pression d'ouverture poe plus élevée. io Les conditions géométriques entre le diamètre hydraulique du siège DHyd, le diamètre de l'aiguille DN au niveau de la face frontale de l'aiguille d'injecteur 5, la pression régnant dans la chambre de commande pS, la pression d'ouverture poe et la force F exercée par le ressort de fermeture 28, précontraint, sont liés par la relation suivante: DHyd2 = DN2. (1 - Ps / Poe) - 40. F / (7C. Poe) Dans cette relation les diamètres sont donnés en millimètres, les pressions en bar et les forces en N. La pression régnant dans la chambre de commande pS dé-pend d'une part de la dimension de l'organe d'étranglement d'alimentation 34 et de l'organe d'étranglement de sortie 36 mais également de la pression dans la chambre à ressort 22 et dans la chambre de pression 20. Pour une certaine pression fournie par le canal d'alimentation 10 et une pression d'ouverture poe prédéfinie, on ne peut compenser le diamètre hydraulique DHyd, modifié qu'en diminuant la force de ressort F. Cette situation est représentée schématiquement à la figure 4: le diamètre hydraulique du siège augmente avec le temps à partir de la valeur initiale DHydo jusqu'à la valeur finale DHyd1 que l'on atteint après un certain temps. Comme le ressort de fermeture est conçu pour que sa précontrainte (pour une pression prédéterminée régnant dans la chambre de commande 26) diminue juste pour compenser l'effet du diamètre hydraulique du siège. Ainsi la pression d'ouverture poe reste constante. La compensation de l'augmentation du diamètre hydrauli- que du siège ne peut être obtenue avec une bonne précision que pour une pression pS. Comme suivant l'état de fonctionnement il règne une pres- sion différente dans la chambre de pression 20, le ressort de fermeture est adapté de préférence en fonction de la pression d'ouverture pour le moteur à combustion interne tournant au ralenti car alors la force du ressort joue un rôle important. Lorsque le moteur travaille à pleine charge, la pression du carburant dans la chambre de pression 20 est beaucoup plus élevée et ainsi la force développée est plus grande de sorte que la force du ressort ne joue plus qu'un rôle secondaire; il en est de même des effets liés à l'augmentation du diamètre hydraulique du siège. Habituellement on augmente diamètre hydraulique du siège pour répondre à une diminution de la force de ressort F de 1 à 10 %. Par un choix approprié des matières du ressort de fermeture, on obtient ce io résultat sans mettre en oeuvre des moyens de conception importants. Il est intéressant de tenir compte non seulement de la valeur absolue de la variation de la force du ressort et du diamètre hydraulique du siège mais également de son évolution dans le temps pour ne pas avoir des irrégularités au début du temps d'utilisation de l'injecteur de carburant. REVENDICATIONS 1 ) Injecteur de carburant pour un moteur à combustion interne comprenant une chambre de pression (20) qui se remplit de carburant et est délimitée par un siège de soupape (13) essentiellement conique ainsi qu'une aiguille d'injecteur (5) coulissant longitudinalement dans la chambre de pression (20), l'extrémité de l'aiguille du côté du siège de soupape ayant une surface d'étanchéité (9) essentiellement conique formée pour que lors-que la surface d'étanchéité (9) est en appui contre le siège d'étanchéité (13), une partie de la surface d'étanchéité (9) allant jusqu'au diamètre hydraulique du siège (DHyd) soit exposée au carburant de la chambre de pression (20), ainsi qu'un ressort de fermeture (28) précontraint, agissant sur l'aiguille d'injecteur (5) pour exercer sur celle-ci une force dirigée vers le siège de soupape (13) alors que lorsqu'on atteint une pression d'ouverture (poe) dans la chambre de pression (20), l'aiguille d'injecteur (5) est soumise à une force d'ouverture hydraulique soulevant l'aiguille (5) par rapport à son siège de soupape (13), caractérisé en ce que la force exercée par le ressort de fermeture (28) précontraint diminue en fonction du temps pour compenser au moins approximativement l'effet de l'augmentation du diamètre hydraulique du siège (DHyd) sur la pression d'ouverture (poe). 2 ) Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé par une chambre de commande (26) délimitée par une partie de l'aiguille d'injecteur (5) pour que la pression régnant dans la chambre de commande (26) exerce une force de fermeture supplémentaire sur l'aiguille d'injecteur (5). 3 ) Injecteur de carburant selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre de commande (26) est reliée par un organe d'étranglement d'alimentation (34) à la zone de haute pression (10; 22) de l'injecteur et par un organe d'étranglement de sortie (36) avec la chambre de collecte de fuite de carburant. 4 ) Injecteur de carburant selon la revendication 3, caractérisé en ce que Io l'organe d'étranglement de sortie (36) est commandé en fermeture et en ouverture par une soupape de commande (14). 5 ) Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort de fermeture (28) est un ressort hélicoïdal de compression entourant l'aiguille d'injecteur (5). 6 ) Injecteur de carburant selon la revendication 1, Io caractérisé en ce que la surface d'étanchéité (9) se compose d'une première surface conique (109) et d'une seconde surface conique (209), la première surface conique (109) ayant un angle d'ouverture (al) inférieur à l'angle d'ouverture (b) du siège de soupape conique (13) et cet angle est lui-même inférieur à l'angle d'ouverture (a2) de la seconde surface conique (209). 7 ) Injecteur de carburant selon la revendication 6, caractérisé en ce que la différence angulaire (dl) entre l'angle de la première surface conique (109) et le siège de soupape (13) est inférieure à la différence angulaire (d2) entre l'angle de la seconde surface conique (209) et le siège de soupape (13). 8 ) Injecteur de carburant selon la revendication 7, caractérisé en ce que le diamètre hydraulique (DHyd) du siège, lorsque l'injecteur est neuf, est formé par l'arête d'étanchéité (38) entre la première surface conique (109) et la seconde surface conique (209). 9 ) Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la force de ressort (F) diminue en fonction en fonction du temps de 1 à 10 % par relaxation de la matière du ressort de fermeture.