Brevet FR2870569A1 — publié le 20051125

Dispositif injecteur de carburant pour moteur à combustion interne à allumage commandé La présente invention est relative à un dispositif injecteur de carburant pour moteur à combustion interne à allumage commandé du type comprenant l'association d'un injecteur de carburant avec au moins une électrode capable de générer une étincelle. Les demandes de brevet WO-A-01/29398 et WO-A-01/290406 décrivent des dispositifs d'injection directe de carburant pour un moteur à combustion interne à allumage commandé dans lequel des moyens sont prévus pour former un jet de carburant injecté dans la chambre de combustion avec un jointeau faisant saillie à l'extérieur de l'injecteur pour définir le jet de carburant. Une électrode est placée à proximité de ce jointeau, soit axialement, soit au voisinage de son extrémité latérale. Dans ces demandes de brevets, la définition de la forme du jet de carburant injecté reste difficile à contrôler et l'étincelle formée par l'électrode n'est pas en mesure de permettre un allumage efficace en raison de sa position à l'intérieur du jet sensiblement conique de carburant injecté. La présente invention a pour objet un dispositif injecteur de carburant comportant au moins une électrode formant une étincelle d'allumage pour le carburant dont la construction soit telle que l'on obtienne un allumage particulièrement efficace. La présente invention a également pour objet une disposition des électrodes et une conformation de l'extrémité de l'injecteur du côté injection permettant de rendre beaucoup moins sensible la position des électrodes par rapport au jet de carburant injecté en phase d'allumage, assurant ainsi un maintien de l'efficacité de l'allumage même en cas de positionnement imprécis des électrodes. Dans un mode de réalisation, le dispositif injecteur de carburant pour moteur à combustion interne à allumage commandé comprend un moyen de support d'injecteur de carburant muni d'un logement pour 2870569 2 l'injecteur et au moins une électrode pour former une étincelle dans un jet de carburant émis par l'injecteur. Le moyen de support comprend un manchon conducteur de l'électricité présentant axialement ledit logement pour l'injecteur et un premier orifice du côté de l'injection. Le moyen de support comprend également un corps isolant entourant ledit manchon et présentant, dans une paroi d'extrémité formée en cône ouvert vers l'extérieur, un deuxième orifice aligné avec le premier. L'extrémité des électrodes pénètre partiellement à l'intérieur du cône ouvert. Grâce à cette disposition, on obtient un allumage efficace à l'extérieur du cône formé par le jet de carburant injecté, à l'aide d'étincelles de surface qui s'étendent sensiblement parallèlement à la paroi conique. Non seulement l'injecteur est ainsi couplé avec le dispositif de génération d'étincelles, formant un ensemble intégré d'injecteur-bougie, mais encore l'efficacité de l'allumage s'en trouve améliorée. De préférence, la face inférieure dudit manchon, du côté de l'injection, présente une forme conique correspondant sensiblement à celle de la paroi du corps isolant. De cette manière, les étincelles sont sensiblement orientées parallèlement à la paroi conique, la face inférieure du manchon conducteur jouant le rôle de guide d'étincelles. Dans un mode de réalisation avantageux, le deuxième orifice est de forme conique, avec un angle d'ouverture inférieur ou égal à celui du cône ouvert précité. De même, le premier orifice peut être de forme conique, avec un angle d'ouverture inférieur ou égal à celui du deuxième orifice. Dans tous les cas, l'angle d'ouverture du cône ouvert est de préférence tel que le jet de carburant injecté suive la paroi conique lors de l'injection, la paroi exerçant alors un effet d'attraction sur le jet de carburant qui se trouve plaqué le long de la paroi par effet Coanda. L'angle d'ouverture du cône ouvert permettant d'obtenir cet effet peut être facilement déterminé par de simples essais, en fonction de la 2870569 3 pression du carburant injecté. Généralement, cet angle d'ouverture est compris entre 30 et 70 degrés. De préférence, l'extrémité des électrodes est conformée en pointe s'étendant sensiblement parallèlement à la paroi d'extrémité du corps isolant. Dans un mode de réalisation, les électrodes comprennent une tige conductrice traversant un passage pratiqué sur toute la hauteur du corps isolant et une extrémité débouchant à proximité du cône ouvert. Le corps isolant et le manchon peuvent être de différentes formes. De préférence cependant, le corps isolant et le manchon sont des pièces de révolution coaxiales, les électrodes étant disposées aux angles d'un polygone de même axe. Les étincelles produites par une telle structure sont orientées parallèlement aux lignes de courant du jet conique de carburant injecté, sans pénétrer profondément à l'intérieur du flux de carburant. Les étincelles peuvent avoir des longueurs de l'ordre de 5 à 8 mm selon la tension appliquée sur les électrodes, par exemple de 20 à 35 kV. Les électrodes peuvent être reliées toutes à une même bobine à haute tension ou, au contraire, chaque électrode peut être reliée à une bobine haute tension individuelle. L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les figures annexées qui représentent une vue en coupe schématique d'un dispositif injecteur de carburant selon l'invention. Tel qu'il est illustré en coupe sur la figure unique, le dispositif injecteur de carburant référencé 1 dans son ensemble est monté dans la paroi d'une culasse 2, par exemple par sertissage. Le dispositif injecteur 1, qui présente une forme générale de révolution autour d'un axe central X-X', comprend un manchon 3 conducteur de l'électricité, réalisé par exemple en un matériau métallique et un corps isolant 4 entourant le manchon conducteur 3, le corps 4 étant directement monté dans un orifice approprié de la culasse 2870569 4 2 de façon que la face frontale avant 5 du corps 4 se trouve sensiblement dans le même plan que la face interne 6 de la culasse 2. Le manchon 3 et le corps 4 sont de forme générale cylindrique et d'axe de révolution X-X'. Le corps 4 réalisé intégralement en matériau isolant électriquement peut être par exemple constitué par de l'alumine. Un logement 7 est prévu dans l'axe du manchon conducteur 3, ledit logement 7 étant ouvert vers l'arrière et présentant des dimensions appropriées pour recevoir et supporter de façon étanche et ajustée, l'injecteur de carburant 8 représenté schématiquement sur la figure. L'injecteur 8 comporte un corps 9 ajusté à l'intérieur du logement 7 et des moyens de commande et d'alimentation 10 qui font saillie au-delà de la face arrière 11 du manchon conducteur 3. L'extrémité avant 12 du manchon conducteur 3, c'est-à-dire l'extrémité qui se trouve du côté de l'injection dans la culasse 2, présente une forme conique ouverte vers l'avant référencée 13 sur la figure. Cette forme conique correspond sensiblement à celle de la paroi d'extrémité avant 14 du corps isolant 4. La paroi 14 présente également une forme conique ouverte vers l'extérieur, c'est-à-dire vers l'avant ou vers l'intérieur de la culasse 2. Toujours au voisinage de son extrémité avant 12, le manchon conducteur 3 comporte axialement un premier orifice 15 qui est aligné avec le nez d'injection 16 de l'injecteur 8. Dans l'exemple illustré sur la figure, ce premier orifice 15 est de forme cylindrique. Il pourrait cependant présenter une forme tronconique ouverte légèrement vers l'avant. Un deuxième orifice 16 présentant dans l'exemple illustré, une forme tronconique ouverte vers l'avant présente un angle d'ouverture inférieur à celui du cône 14a défini par la paroi 14 du corps isolant 4. Les deux orifices 15, 16 sont alignés sur l'axe de révolution X-X' du dispositif 1 et définissent ainsi un passage pour le carburant injecté 2870569 5 provenant de l'injecteur 8. Bien que la forme du deuxième orifice 16 ait été représentée dans l'exemple par un tronc de cône, comme il vient d'être dit, on comprendra qu'il soit possible également de concevoir un orifice 16 de forme cylindrique. Dans le choix de la forme des orifices 15 et 16, il faut simplement veiller à ce que l'angle d'ouverture du cône aille en augmentant depuis l'orifice 15 jusqu'au cône ouvert 14a de façon à ne pas interférer avec le jet de carburant. Dans l'exemple illustré, l'angle d'ouverture du cône 14a est proche de 40 tandis que l'angle d'ouverture de l'orifice conique 16 est de l'ordre de 20 et que l'orifice 15 est cylindrique. Lors du fonctionnement de l'injecteur, le jet de carburant, dont la pression est choisie de manière appropriée, traverse les deux orifices successifs 15 et 16 avant d'être projeté à l'intérieur de la culasse 2 par le cône 14a ouvert vers l'avant. Lors de cette projection, l'angle d'ouverture du cône 14a est tel que le jet de carburant projeté à grande vitesse se trouve attiré par la paroi conique entourant le jet, par effet Coanda comme cela est bien connu. On obtient ainsi une excellente répartition du jet de carburant et en même temps la formation d'un jet conique défini par le cône ouvert 14a. L'angle d'ouverture du cône 14a peut être aisément déterminé dans la pratique en fonction de la pression du carburant injecté qui dépend ellemême du fonctionnement du moteur à combustion sur lequel le dispositif d'injection 1 est installé. Le choix de la forme conique éventuelle des orifices 15 et 16 est fait de la même manière de façon à définir le jet de carburant de forme conique qui a été indiqué précédemment. Le dispositif injecteur joue également un rôle de dispositif d'allumage et comprend à cet effet une ou plusieurs électrodes dont deux référencées 17 et 18 sont représentées sur la vue en coupe de la figure 1. Ces électrodes comprennent chacune une tige conductrice de l'électricité 19, 20 qui traverse un passage 21, 22, pratiqué dans l'épaisseur du corps isolant 4 et sur toute sa hauteur. Les passages tels que 21 et 22 sont traversants et débouchent à l'intérieur de la culasse 2 du côté de la face avant 5 du corps isolant 4 à proximité du cône ouvert 14a. Chacune des électrodes 17, 18 présente une extrémité 23, 24, dirigée perpendiculairement à l'axe de révolution X-X' du dispositif 1 et comportant une portion conformée en pointe 23a, 24a qui est dirigée vers l'arrière et pénètre légèrement à l'intérieur du cône ouvert 14a en s'étendant sensiblement parallèlement à la paroi 14. Dans l'exemple illustré sur la figure, les portions en pointe 23a, 24a sont en contact avec la partie avant de la paroi 14. Les différentes électrode telles que 17 et 18 sont de préférence disposées aux angles d'un polygone de même axe que l'axe de révolution X- X' du dispositif 1'. La distance entre les pointes extrêmes 23a et 24a et le bord circulaire avant 12a de la portion conique 12 du manchon conducteur 3 est ainsi réduite au minimum et correspond sensiblement à l'épaisseur de la paroi isolante 14. De même, la distance entre les pointes 23a et 24a et la portion de paroi frontale avant 12b du manchon 3, est réduite au maximum. Dans l'exemple illustré, chacune des électrodes 17, 18 est reliée à une bobine à haute tension 25, 26 indépendante. La tension électrique élevée qui peut ainsi en résulter au moment de l'allumage commandé, permet d'établir un arc électrique entre l'extrémité des pointes telles que 23a, 24a et la masse constituée par le manchon conducteur 3. Le guide d'étincelles est assuré par l'extrémité conique avant 12 du manchon conducteur 3, les étincelles prenant naissance sur le bord circulaire 12a de ladite partie conique 12. Les étincelles ainsi formées sont sensiblement parallèles aux lignes de courant comme illustré sous la référence 27 qui montre à titre d'exemple l'étincelle générée entre la pointe 23a de l'électrode 17 et la face avant 12b de la portion d'extrémité 12 du manchon conducteur 3. Dans la disposition ainsi décrite, on comprend que le manchon conducteur 3 a une double fonction, à savoir, d'une part servir de 2870569 7 logement à l'injecteur de carburant 8, qui se trouve parfaitement ajusté à l'intérieur du logement 7 de façon à assurer l'étanchéité et d'autre part, servir de potentiel de référence pour l'allumage au moyen des électrodes telles que les électrodes 17 et 18 visibles sur la figure. Le jet de carburant injecté n'est pratiquement pas déformé par les orifices 15 et 16 dont le diamètre et la forme sont appropriés à cet égard et la surface extérieure du jet de carburant injecté reste très proche de la surface conique 14a ouverte vers l'avant. L'angle d'ouverture du cône 14a et sensiblement égal à l'angle de cône du jet de carburant de façon que celui-ci ne s'écrase pas brutalement sur la paroi 14a mais vienne au contraire éclabousser ladite paroi et de préférence la suivre par effet Coanda. Bien que sur la figure on ait représenté une disposition avec deux électrodes 17 et 18 visibles, on comprendra que l'on puisse utiliser un autre nombre d'électrodes à condition qu'il y en ait au moins une. En cas de génération de multi-étincelles simultanées, on utilise de préférence, comme indiqué sur la figure, une bobine haute tension indépendante par électrode. On peut cependant également envisager de relier l'ensemble des électrodes à la même bobine à haute tension. Les étincelles produites sont orientées sensiblement parallèlement aux lignes de courant du jet de carburant sans pénétrer profondément à l'intérieur du jet de forme conique. Les étincelles produites peuvent avoir des longueurs de l'ordre de 5 à 8 mm selon la tension appliquée sur les électrodes qui peut varier de 20 à 35 kvolts. Dans la présente description le terme avant a été utilisé pour désigner des portions plus proches de la zone d'injection de carburant tandis que le terme arrière a été utilisé pour désigner des portions plus éloignées de la zone d'injection. L'invention permet d'obtenir un dispositif d'injection et d'allumage produisant un excellent allumage du jet de carburant injecté à l'aide d'étincelles de surface qui sont très peu sensibles à la 2870569 8 position des électrodes par rapport au jet de carburant injecté en phase d'allumage. Le dispositif de l'invention peut être fixé de façon définitive ou amovible sur une culasse de moteur à combustion interne. 2870569 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif injecteur de carburant pour moteur à combustion interne à allumage commandé du type comprenant un moyen de support d'injecteur de carburant muni d'un logement (7) pour l'injecteur (8) et au moins une électrode (17,18) pour former une étincelle dans un jet de carburant émis par l'injecteur (8), caractérisé par le fait que le moyen de support comprend un manchon (3) conducteur de l'électricité présentant axialement ledit logement (7) pour l'injecteur et un premier orifice (15) du côté de l'injection, et un corps isolant (4) entourant ledit manchon et présentant, dans une paroi d'extrémité (14) formée en cône ouvert vers l'extérieur (14a), un deuxième orifice (16) aligné avec le premier, l'extrémité (23a,24a) des électrodes pénétrant partiellement à l'intérieur du cône. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la face avant dudit manchon (3), du côté de l'injection, présente une forme conique correspondant sensiblement à celle de la paroi (14) du corps isolant. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le deuxième orifice (16) est de forme conique, avec un angle d'ouverture inférieur ou égal à celui du cône ouvert précité (14a). 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que le premier orifice (15) est de forme conique, avec un angle d'ouverture inférieur ou égal à celui du deuxième orifice (16). 5. Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que l'angle d'ouverture du cône ouvert (14a) est tel que le jet de carburant injecté suit la paroi conique lors de l'injection. 6. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que l'angle d'ouverture du cône ouvert (14a) est compris entre 30 et 70 degrés. 2870569 10 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'extrémité des électrodes est conformée en pointe (23a, 24a) s'étendant sensiblement parallèlement à la paroi d'extrémité (14) du corps isolant. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les électrodes (17,18) comprennent une tige conductrice (19,20) traversant un passage (21,22) pratiqué sur toute la hauteur du corps isolant (4) et une extrémité débouchant à proximité du cône ouvert (14a). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le corps isolant (4) et le manchon (3) sont des pièces de révolution coaxiales, les électrodes (17,18) étant disposées aux angles d'un polygone de même axe. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que chaque électrode est reliée à une bobine haute tension (25,26).