Brevet FR2857418A1 — publié le 20050114

Dispositif d'application de précontrainte à une soupape d'un injecteur de carburant et moyens de rupture d'impédance acoustique de l'injecteur La présente invention se rapporte à la réalisation 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 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. D'après le brevet précité, on connaît un dispositif d'injection caractérisé notamment en ce qu'une tige ou aiguille se déforme élastiquement sous la contrainte d'ondes ultrasonores de manière à définir à 1' une de ses extrémités une fente annulaire d'éjection par rapport à un siège de soupape, ladite tige coopérant à son autre extrémité avec une masse, la dite masse coopérant avec des moyens de rappel élastiques logés dans une cavité formée dans la partie arrière du boîtier d'injecteur. 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 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. Dans le cas du brevet FR 2801346, la tige et une masse, servant notamment de dispositif de mise sous contrainte de la tige, baignent dans un fluide sous pression. Chacune des surfaces du système précité étant soumis à la pression du fluide, la somme des efforts de pression impose d'exercer un effort de rappel sur la tige via la masse afin de garantir l'étanchéité de l'injecteur. Cet effort de précontrainte est fourni par des moyens élastiques agissant sur la masse. Plus précisément cet effort doit être supérieur au produit de la pression du fluide par la section de la tige. Si ce système fonctionne bien pour des pressions modérées, de l'ordre par exemple de 100 bars, il n'en est pas de même pour des pressions élevées, de l'ordre par exemple de 500 à 1000 bars. L'effort devenant élevé, il faudrait dans ce cas utiliser des moyens de rappel élastiques volumineux au regard de l'espace dont on dispose. De plus, la tige, de section réduite, se verrait fortement contrainte sous l'action de l'effort exercé par le moyen de rappel élastique. Par ailleurs, l'effort de précontrainte à exercer varie avec la pression d'alimentation, il faut donc adapter le moyen de rappel élastique à la pression du fluide. Ce point oblige à démonter le dispositif pour changer le moyen de rappel élastique dès lors que l'on modifie sensiblement la pression d'alimentation. Une autre difficulté technique dans la conception du dispositif de rupture d'impédance acoustique réside dans la réalisation d'une liaison bilatérale entre la masse arrière et la tige. Des solutions satisfaisantes pour surmonter ce problème ont été proposées dans le brevet FR 2816097. Cependant il nous semble intéressant de proposer une solution différente pour réaliser une liaison bilatérale entre la tige et la masse arrière tout en respectant les contraintes de montage du dispositif d'injection sur lequel nous appliquons notre invention. Une autre difficulté technique dans la conception d'un dispositif de rupture d'impédance acoustique réside dans la nécessité d'avoir une masse relativement importante coopérant à l'une des extrémités de la tige de soupape tout en restant dans un encombrement restreint. Si les solutions développées à cet effet dans les brevets FR 2801346 et FR 2816097 donne satisfaction de ce point du vue, il sera plus délicat de concilier les impératifs que sont: intégrer des fonctionnalités supplémentaires afin de pallier aux limitations précitées, avoir une masse importante fixée à une extrémité de la tige, avoir un dispositif d'encombrement restreint. Le but de l'invention est donc but de concilier ces impératifs précités et de proposer un dispositif. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-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. La figure 2 représente une vue de détails de 20 la partie A de la figure 1 La figure 3 représente une vue de détails de la partie B de la figure 1 Conformément aux dessins annexés, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont 25 été représentés. En se référant à la figure 1, nous avons représenté une vue d'ensemble en coupe axiale de la partie inférieure d'un injecteur utilisant le dispositif de mise sous contrainte d'une soupape et les moyens de rupture d'impédance acoustique objet de la présente invention. L'injecteur comprend un boîtier 10 sur lequel est monté une buse 19 d'injection ainsi que des éléments actifs 17 permettant la déformation élastique une soupape 1 montée dans le boîtier. L'assemblage de la buse d'injection 19 est réalisé par l'intermédiaire d'un élément tubulaire 20. Autour de l'élément tubulaire 20 sont disposés des éléments actifs 17 compris entre la buse 19 d'injection formant un transducteur qui constitue la partie émettrice et une partie intermédiaire 18, les éléments actifs 17 et la partie intermédiaire 18 étant libres de coulisser axialement le long de l'élément tubulaire 20. La buse d'injection 19 est formée de deux parties cylindriques de diamètre décroissant et coopère selon son extrémité basse avec la soupape, formant les moyens obturateurs de la buse d'injection 19. La buse 19 coopère avec un support non représenté. Le support peut être la surface supérieure de la culasse d'un moteur. La buse d'injection 19 est similaire à celle connue 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 15 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 16 circulaire telle que décrite dans la demande de brevet FR 2801346. La seconde partie cylindrique est de diamètre sensiblement inférieur et son l'extrémité basse forme le nez 21 d'éjection. Ce dernier est destiné à déboucher à l'intérieur de la chambre de combustion. L'ensemble de la buse 19 d'injection ainsi formé par les deux parties cylindriques présente une cavité intérieure cylindrique 22 traversante destinée à amener le carburant sous pression depuis le boîtier 10 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 la variante de réalisation de la figure 1, les moyens de serrage comprennent un écrou 14 dont l'extrémité inférieure coopère avec une partie intermédiaire 18, elle-même en appuie sur les matériaux actifs 17. L'extrémité inférieure de l'écrou 14 est conformée 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. L'élément tubulaire 20 relie la buse d'injection 19 à l'extrémité supérieure de l'injecteur formant le boîtier 10. L'élément 20 tubulaire coopère selon son extrémité inférieure avec la buse 19 d'injection, traverse l'empilement des matériaux actifs 17 ainsi que la pièce intermédiaire 18 et coopère selon son extrémité supérieure avec le boîtier 10. Comme indiqué précédemment, le principe de fonctionnement de l'injecteur est une déformation élastique de la soupape 1 sous l'action d'éléments actifs 17. Pour ce faire la soupape 1 doit être précontrainte mécaniquement dans le boîtier 10. Cette précontrainte est réalisée d'une part un moyen élastique 5, tel que ressort dont une première extrémité prend appuis sur le boîtier 10 ou un élément solidaire du boîtier 10 et dont la deuxième extrémité prend appui sur un écrou, 4 dit de contre-masse solidaire de l'extrémité de la tige de soupape. La valeur de l'effort exercé par le ressort 5 est, par exemple, modulable via un dispositif composé d'une vis de réglage 6 et d'une entretoise 7. L'entretoise 7 est imbriquée dans l'écrou 4 de contre-masse et en liaison glissière avec l'écrou 4 de contre-masse afin de ne pas communiquer de couple au ressort 5. La vis de réglage 6 est en liaison hélicoïdale avec l'écrou 4 de contremasse. Ainsi en vissant ou dévissant la vis de réglage 6, on agit via l'entretoise 7 sur la longueur du ressort 5. Par ce biais on modifie l'effort exercé par le ressort 5 sur l'écrou 4 de contre-masse et donc sur la tige 1. On obtient ainsi un dispositif qui permet de régler facilement et finement la précontrainte exercée sur la tige y compris pendant le fonctionnement de l'injecteur. De même selon l'invention, l'écrou 4 de contre-masse comprend un logement, sensiblement selon son axe longitudinal. Ce logement est destiné à recevoir une masse 9 formée dans un matériau de forte densité, par exemple du tungstène. La masse est maintenue en place dans le logement de l'écrou 4 de contre-masse par l'intermédiaire d'un écrou de serrage 8 coopérant avec un filetage formé dans le logement. Dans la suite de la description l'ensemble écrou 4 de contre masse et masse 9, ainsi que tout autre élément fixé à l'extrémité de la tige par une liaison bilatérale est appelé masse arrière. La masse arrière est destinée à créer une rupture d'impédance acoustique du système. De même, l'entretoise étant imbriqué Selon une caractéristique de l'invention, l'effort de précontrainte est réduit en créant une différence de pression entre une zone dite haute pression' au voisinage de l'extrémité de la tige coopérant avec le siège et une zone dite basse pression' englobant la majeure partie de la masse arrière. Ceci est réalisé grâce à un moyen d'étanchéité disposé entre la masse arrière et le boîtier. Le moyen d'étanchéité crée une forte perte de charge, voir une étanchéité complète entre les deux zones précitées. Ce moyen d'étanchéité pourra être par exemple un joint. Ce dispositif a l'avantage de réduire considérablement l'effort de précontrainte à exercer sur la tige pour maintenir la soupape fermée. Cet effort est alors le produit de la pression du fluide dans la zone "haute pression" par la surface apparente au fluide à l'extrémité de la tige. 2857418 7 Comme représenté sur les figures 1 et 2, le moyen d'étanchéité comprend dont un joint d'étanchéité 3 disposée entre la tige de soupape et une vis porte joint 11, elle-même solidaire du boîtier 10. La vis porte joint est monté dans le boîtier par l'intermédiaire d'un filetage formé sur le boîtier. Ainsi, il n'existe pas de couplage mécanique entre la vis porte joint 11 et la tige. Le boîtier reste donc découplé de la tige. La vis 11 porte joint est creuse pour permettre le passage de la tige. Lors du montage de l'injecteur la vis 11 porte joint peut ainsi être enfilée sur la tige et vis dans le boîtier 10. Le joint 3 permet de délimiter une cavité 12 où le fluide est sous haute pression d'une cavité 13 où le fluide est sous basse pression. La cavité 12 dite haute pression' s'étend de l'extrémité de la tige de soupape coopérant avec son siège jusqu'au joint 3. La cavité 13 dite basse pression' s'étend du joint 3 jusque vers un conduit de recirculation du fluide basse pression situé dans la partie supérieure du boîtier 10. Afin de rendre l'effort à appliquer sur la masse arrière par le moyen de rappel élastique indépendant de la pression du fluide dans la zone haute pression et de mettre en équilibre la tige sous l'action du fluide en jouant sur les surfaces soumises à l'action du fluide haute pression une contre masse, de forme sensiblement tubulaire est monté selon sa première extrémité sur la tige de soupape par une liaison bilatérale. La deuxième extrémité de la contre-masse vient s'intercaler entre le joint 3 et la tige et déboucher dans la cavité haute pression 12. La contre-masse peut coulisser dans la vis porte joint. La deuxième extrémité de la contremasse est sensiblement de forme tubulaire. La surface 14' de la contremasse débouchant dans la cavité haute pression 12 est, par exemple sensiblement identique à la surface de la soupape soumise à l'action du fluide sous pression. Ainsi l'effort du fluide 2857418 8 Sous pression s'exerçant sur la contre-masse compense l'effort exercé par ce même fluide sur l'extrémité de la tige coopérant avec le siège. La réalisation de la surface 14' sur une pièce distincte de la tige 1 garantie la montabilité de l'ensemble dans le cas d'une application sur un système d'injection. Selon une variante de réalisation la liaison entre la contre-masse et la tige de soupape est réalisée par un cône morse 15 de façon à assurer une liaison élastique bilatérale entre la tige et la contre-masse. Cette liaison est contrainte par l'écrou 4 de contre-masse pour assurer la durabilité de liaison. Ainsi, la contre-masse est élément de la masse arrière et participe à la rupture d'impédance acoustique. Selon un autre mode de réalisation la surface 14' peut être de dimension différente afin d'adapter au mieux le niveau de précontrainte exercée. 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 précontrainte de la tige à la pression régnant dans l'injecteur, et à créer une rupture d'impédance de qualité avec un système compact. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée 25 aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. RENVENDICATIONS 1.Dispositif d'application de précontrainte pour un dispositif d'injection comprenant une tige (1) montée dans un boîtier (10) et se déformant élastiquement sous la contrainte d'ondes ultrasonores de manière à définir à 1' une de ses extrémités une fente annulaire d'éjection par rapport à un siège de soupape, tige (1) coopérant à son autre extrémité avec une masse (4) coopérant avec des moyens (5) de rappel élastiques logés dans une cavité formée dans la partie arrière du boîtier (10) d'injecteur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'étanchéité (3) disposés entre la masse et la tige pour former une première zone haute pression au voisinage de l'extrémité de la tige coopérant avec le siège et une deuxième zone basse pression englobant la majeure partie de la masse. 2.Dispositif d'application de précontrainte selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'étanchéité comprennent un joint (3) disposée entre la soupape et une vis porte joint (11), solidaire du le le élastiques comprennent un ressort dont une première boîtier et dont la deuxième écrou (4) de contre-masse tige de soupape. de précontrainte selon la revendication 3, caractérisée en ce que la liaison entre l'écrou (4) de contre masse et la tige (1) est une liaison bilatérale de sorte que l'écrou (4) de contre masse forme une rupture d'impédance acoustique. tige de boîtier boîtier boîtier. 3.Dispositif revendication 1 (10), la vis porte par l'intermédiaire joint étant montée dans d'un filetage formé sur d'application de précontrainte selon la ou 2, caractérisée en ce que les moyens extrémité prend appuis sur le extrémité prend appui sur un solidaire de l'extrémité de la 4.Dispositif d'application 5.Dispositif d'application de précontrainte selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que la valeur de l'effort exercé par le ressort est modulable via un dispositif comprenant une vis de réglage (6) et d'une entretoise (7) imbriquée dans l'écrou (4) de contre-masse et en liaison glissière avec l'écrou (4) de contre-masse. 6.Dispositif d'application de précontrainte selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que l'écrou de contre-masse (4) comprend un logement conformé pour recevoir une masse (9) de matériaux de forte densité. 7. Dispositif d'application de précontrainte selon la revendication 6, caractérisée en ce que la masse de matériau est maintenu dans le logement par une vis (8) coopérant avec un filetage formé dans l'écrou de contremasse (4). 8. Dispositif d'application de précontrainte selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'il comprend une contre masse (2), de forme sensiblement tubulaire est monté selon sa première extrémité sur la tige de soupape dans la zone basse pression, la deuxième extrémité de la contre-masse venant s'intercaler entre les moyens d'étanchéité et la tige et débouchant dans la zone haute pression 12 selon une surface déterminée. 9. Dispositif d'application de précontrainte selon la revendication 8, caractérisée en ce que la liaison entre la contre masse (2) et la tige de soupape est une liaison élastique bilatérale de sorte que la contre masse (2) forme une rupture d'impédance acoustique.