Brevet FR2877055A1 — publié le 20060428

"Dispositif d'injection de carburant comportant des moyens de dissipation thermique" L'invention concerne un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne de véhicule automobile comportant des moyens de dissipation thermique de manière à refroidir le nez d'injection L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne, de forme globalement cylindrique annulaire qui comporte un porte- Io injecteur comportant axialement un tronçon supérieur de support sur une partie inférieure duquel est rapporté un tronçon inférieur de raccord qui délimite un logement interne dans lequel est monté un injecteur, l'injecteur comportant un corps dont l'extrémité inférieure est conformée en un nez d'injection pour pulvériser le is carburant à l'intérieur d'une chambre de combustion du moteur. On connaît de nombreux exemples de dispositifs d'injection de carburant de ce type, en particulier pour des moteurs à combustion interne de type Diesel. Dans un tel dispositif, constitué principalement par l'ensemble porteinjecteur/injecteur, le nez d'injection de l'injecteur subit des contraintes thermiques particulièrement importantes, notamment lors de la phase de combustion au cours de laquelle de très fortes températures sont atteintes. Par conséquent, la température maximale de fonctionne- ment d'un injecteur de carburant est généralement déterminée en fonction des caractéristiques thermo-mécaniques du nez d'injection et elle conditionne de manière limitative les paramètres de fonctionnement du moteur. C'est la raison pour laquelle, on a recherché des solutions 30 pour refroidir le dispositif d'injection de carburant, notamment le nez d'injection de l'injecteur. Selon une première solution connue, le dispositif d'injection de carburant, encore parfois appelé "injecteur", comporte des moyens de refroidissement du nez d'injection par circulation d'un fluide réfrigérant ou caloporteur. Le document FR-A-2.341.751 décrit un exemple d'un injecteur comportant un circuit de refroidissement qui comporte un conduit d'arrivée et un conduit de retour traversant le corps et le nez de l'injecteur et dans lesquels circule un liquide réfrigérant de manière à refroidir l'injecteur et plus particulièrement le nez d'injection. Les conduits de circulation du liquide réfrigérant sont ainsi io ouverts et sont raccordés au reste de la boucle du circuit de refroidissement de l'ensemble des injecteurs du moteur et dans laquelle circule le liquide réfrigérant. Toutefois, un tel circuit de refroidissement de l'injecteur est une solution complexe qui requiert des moyens supplémentaires pour assurer la circulation du liquide réfrigérant et qui nécessite de surcroît la mise en oeuvre de moyens spécifiques pour garantir de manière fiable une parfaite étanchéité du circuit. Un tel injecteur refroidi ne donne donc pas entière satisfaction, particulièrement en raison de sa réalisation complexe 20 et coûteuse. Selon une deuxième solution connue, le refroidissement du nez d'injection de l'injecteur s'effectue par simple conduction de la chaleur à travers le nez d'injection et le corps de l'injecteur. Dans les injecteurs refroidis par simple conduction, le corps de l'injecteur et donc le nez d'injection sont généralement réalisés dans des matériaux, tels que l'acier, qui présentent de bonnes propriétés et caractéristiques mécaniques mais les caractéristiques thermiques telles que la conductivité de la chaleur, ne sont pas satisfaisantes. Les températures maximales de fonctionnement de tels injecteurs sont donc aujourd'hui limitées à des températures de l'ordre de 300 C. L'ensemble des solutions connues de l'état de la technique ne donne donc pas entière satisfaction. Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose un injecteur de carburant comportant des moyens de dissipation thermiques par conduction qui soient simples et économiques à mettre en oeuvre. s Dans ce but, l'invention propose un dispositif d'injection de carburant du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'au moins le corps de l'injecteur comporte un vecteur de conduction thermique constitué d'au moins une cavité de refroidissement qui est remplie d'un fluide caloporteur pour favoriser la dissipation de io la chaleur du nez d'injection et qui est fermée de manière étanche par des moyens d'obturation. Grâce à l'invention, on améliore la dissipation de la chaleur dans l'injecteur et plus particulièrement dans le nez d'injection ce qui permet d'augmenter la température maximale de fonction- nement du dispositif d'injection. Avantageusement, l'augmentation de la température maximale de fonctionnement du nez d'injection ouvre de nouvelles perspectives dans l'amélioration de la combustion dans les moteurs. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - chaque cavité de refroidissement s'étend globalement axialement à travers au moins une partie du corps de l'injecteur; - chaque cavité de refroidissement s'étend globalement axialement du nez d'injection jusqu'à au moins une partie du tronçon supérieur de support du porte-injecteur; le dispositif comporte plusieurs cavités de refroidissement qui sont réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe principal X-X du dispositif d'injection; - chaque cavité de refroidissement comporte une ouverture de remplissage qui est fermée de manière étanche par un pion constituant les moyens d'obturation; - l'ouverture de remplissage de la cavité de refroidissement débouche axialement dans une face supérieure du corps de l'injecteur ou radialement dans une face cylindrique externe du tronçon supérieur du porte injecteur; - le dispositif est du type comportant des moyens de détrompage de manière à positionner angulairement l'injecteur correctement par rapport au porte-injecteur lors de son montage et les moyens de détrompage sont constitués par au moins un pion détrompeur qui, obturant une ouverture de remplissage, fait saillie axialement par rapport à la face supérieure du corps de l'injecteur de manière à pénétrer dans un trou complémentaire du io tronçon supérieur de porte-injecteur; - les pions sont solidaires d'une pièce intermédiaire qui est interposée axialement entre l'injecteur et la partie inférieure du tronçon supérieur et qui constitue un moyen de centrage de l'injecteur et du porte- injecteur; - le fluide caloporteur est du sodium; - le dispositif comporte au moins un vecteur de conduction thermique constitué par au moins un insert en matériau thermiquement conducteur qui est reçu dans une cavité complémentaire du corps de l'injecteur et/ou du tronçon supérieur du porte-injecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 est une vue schématique, en coupe axiale partielle, d'un dispositif d'injection de carburant monté dans un puits d'une culasse d'un moteur à combustion interne et qui représente un premier exemple de réalisation selon l'invention dans lequel le corps de l'injecteur comporte au moins une cavité de refroidissement, fermée et remplie de fluide caloporteur, s'étend axialement jusqu'au nez de l'injecteur; la figure 2 est une vue de dessus de l'injecteur selon la figure 1 qui représente les cavités de refroidissement débouchant axialement dans la face supérieure et qui sont obturées après remplissage par les pions; la figure 3 est une vue en coupe axiale selon le plan III-III de la figure 2 qui représente un injecteur selon la figure 1 s comportant des cavités de refroidissement remplie de fluide caloporteur et fermées étanchement; la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 qui représente une variante de réalisation du premier exemple de réalisation des figures 1 à 3; la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 qui représente un deuxième exemple de réalisation dans lequel au moins une cavité de refroidissement s'étend axialement à travers le dispositif d'injection, soit à partir du nez de l'injecteur à travers le corps de l'injecteur et à travers la paroi du tronçon supérieur du porte-injecteur. Dans la description et les revendications, on utilisera à titre non limitatif les expressions telles que "supérieur" et "inférieur" et les orientations "axiale" et "radiale" en référence aux figures et définitions données dans la description. De plus, les éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence. On a représenté schématiquement à la figure 1, un dispositif d'injection de carburant 10 pour un moteur à combustion interne (non représenté), notamment du type à allumage par compression et à injection directe, c'est-à-dire du type dans lequel le carburant est injecté directement dans chacune des chambres de combustion (non représentés) des cylindres du moteur. Le dispositif d'injection 10 est monté dans un puits 12 complémentaire constitué par un trou étagé qui est aménagé directement dans la culasse 14 du moteur et qui débouche axialement dans une partie de la face inférieure 16 de la culasse 14 formant le toit délimitant la partie supérieure de chaque chambre de combustion du moteur. De manière connue, des moyens de fixation (non représentés) sont susceptibles d'immobiliser axialement et en rotation l'injecteur 10 dans le puits 12 et d'en indexer angulairement la position dans certaine application. s Le dispositif d'injection 10 est ici de forme globalement cylindrique annulaire et comporte, axialement de haut en bas, un porte-injecteur 18 comportant un tronçon supérieur 20, dit tronçon de support, sur la partie inférieure 22 filetée duquel est rapporté par vissage un tronçon inférieur 24, dit tronçon de raccord. io Le tronçon inférieur 24, encore appelé "écrou-raccord", délimite un logement interne 26 dans lequel est monté un injecteur 28. Le dispositif d'injection 10 constitue ainsi, lorsqu'il est assemblé en position de fonctionnement, un ensemble constitué principalement par le porte-injecteur 20 et l'injecteur 28. L'injecteur 28 comporte un corps 30 dont l'extrémité inférieure est conformée en un nez d'injection 32 apte à pulvériser le carburant à l'intérieur d'une chambre de combustion du moteur. L'injecteur 28 comporte usuellement des moyens commandés (non représentés) , telle qu'une aiguille, qui déterminent l'injection et la quantité de carburant et un conduit 34 d'amenée du carburant au nez d'injection 32 qui traverse axialement le tronçon supérieur 20 du porte-injecteur 18 et le corps 30 de l'injecteur 28. Des moyens d'étanchéité 36, tels qu'un joint annulaire, sont interposés entre une face inférieure d'appui 38 du tronçon inférieur 24 et une face supérieure 40 du puits 12 située en vis-à-vis pour assurer l'étanchéité entre la chambre de combustion et le puits 12 qui débouche axialement vers l'extérieur dans une face supérieure 42 de la culasse 14 du moteur. Le nez d'injection 32 est, du fait de son agencement, en saillie dans la chambre de combustion, ou en affleurement de la face inférieure 16, particulièrement exposé à de très forte température et donc des sollicitations thermo-mécaniques importantes. Comme cela a été expliqué en préambule, dans le cas d'un injecteur ne comportant pas de circuit de refroidissement, le refroidissement s'opère alors uniquement par conduction thermique, c'est à dire par transfert de chaleur sous l'action de la différence de température, soit ici du nez d'injection 32 à travers le corps 30 de l'injecteur puis vers les parties adjacentes de la culasse 14 par l'intermédiaire du tronçon inférieur 24 de raccord. lo Cependant, le refroidissement ainsi obtenu n'est pas optimal car il est faible et déterminé par la conductivité thermique des matériaux utilisés, tels que l'acier, et la température maximale de fonctionnement de l'injecteur s'en trouve alors physiquement limitée par la conductivité thermique de ces matériaux. Afin de résoudre ce problème, l'invention propose un dispositif d'injection 10 dont le corps 30 de l'injecteur 28 comporte au moins une cavité de refroidissement 42 qui est remplie d'un fluide caloporteur 44 de manière à favoriser la dissipation de la chaleur du nez d'injection 32. Le fluide caloporteur 44 n'est pas en circulation dans la cavité de refroidissement 42 qui, après remplissage, est fermée de manière étanche par des moyens d'obturation 46. Avantageusement, le corps 30 présente ainsi une structure en "sandwich" dans laquelle chaque cavité 42 remplie de fluide caloporteur 44 forme un pont thermique présentant un conductivité thermique supérieure à celle du matériau constitutif du corps 30. Le fluide caloporteur 44 est avantageusement constitué par du sodium et qui est de préférence à l'état liquide de manière à faciliter l'opération de remplissage de chacune des cavités de refroidissement 42. Il est ainsi possible d'améliorer, par rapport à l'état de la technique, le refroidissement du nez d'injection 32 et donc d'augmenter de manière sensible la température maximale de fonctionnement. Chaque cavité de refroidissement 42 constitue ainsi un vecteur de conduction thermique favorisant la dissipation de la chaleur du nez d'injection 32, notamment suivant la direction radiale mais aussi axiale, et par conséquent le refroidissement dudit nez 32. Ainsi, chaque cavité de refroidissement 42 remplie de fluide caloporteur 44 se comporte, du point de vue de la io conduction thermique, comme un "dopant" pour le matériau constitutif par exemple du corps 30 de l'injecteur 28. Selon un premier exemple de réalisation illustré aux figures 1 à 3, chaque cavité de refroidissement 42 est réalisée dans l'épaisseur de la paroi annulaire 48 du corps 30 et s'étend, ici de manière rectiligne, axialement dans tout le corps 30 de l'injecteur 28, c'est-à-dire que les cavités 42 s'étendent axialement de l'extrémité formant le nez d'injection 32 jusqu'à au moins une partie du tronçon inférieur 24 de raccord du porte-injecteur 18. De préférence, les cavités de refroidissement 42 sont réalisées par perçage du corps 30 et présentent donc axialement une forme cylindrique de section circulaire. Chaque cavité 42 s'étend axialement dans la paroi annulaire 48 du corps 30 de l'injecteur 28 suivant un axe principal globalement parallèle à l'axe principal X-X du dispositif d'injection 10. En variante, les cavités de refroidissement 42 sont inclinées par rapport à l'axe principal X-X et présentent une génératrice curviligne déterminé en fonction de la courbure de la paroi cylindrique 48 du corps 30. Comme on peut le voir sur la figure 2, les cavités de refroidissement 42 sont ici au nombre de trois, réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe principal X-X du dispositif d'injection 10 et sont agencées de manière à ne pas interférer avec le conduit 34 d'amenée du carburant. En variante, le nombre de cavité de refroidissement 42 est un nombre pair ou impair, compris par exemple entre 1 et 7, qui est notamment en fonction des caractéristiques du dispositif d'injection 10 et de l'injecteur 28. Bien entendu, le refroidissement est d'autant plus important que le nombre de cavités de refroidissement 42 est grand, néanmoins le nombre de cavité de refroidissement 42 est to déterminé en fonction des applications et de manière que la tenue mécanique de l'injecteur 28 soit globalement identique. De préférence, chaque cavité de refroidissement 42 débouche axialement dans une face supérieure 50 du corps 30 de l'injecteur 28 par une ouverture de remplissage 52. En variante, la cavité de refroidissement 42 débouche globalement radialement dans la paroi 48 du corps 30 de l'injecteur 28. Les moyens d'obturation sont par exemple constitués par un pion 46, de forme cylindrique et de préférence métallique, qui est susceptible d'être emmanché à force dans un trou de remplissage 52 afin d'obturer et de fermer de manière étanche la cavité de refroidissement 42. Avantageusement au moins l'un des pions 46, dit pion détrompeur, présente un longueur supérieure de manière à faire saillie axialement au dessus de la face supérieure 50 et à former un moyen de détrompage 54. Le pion détrompeur 54 est reçu dans un trou complémentaire 56 que comporte la face inférieure 58 du tronçon supérieur 20 du porte-injecteur 18 de manière à positionner correctement l'injecteur 28 lors de son montage et à raccorder entre elles les parties supérieure et inférieure du conduit d'amenée 34. Avantageusement, le pion détrompeur 54 constitue aussi un moyen de centrage, ici radialement par rapport à l'axe X-X, de i0 l'injecteur 28 par rapport au tronçon supérieur 20 du porte-injecteur 18. La figure 4 illustre une variante de réalisation, dans laquelle les pions d'obturation 46 sont solidaires d'une pièce intermédiaire 60, telle qu'une entretoise ou un disque intermédiaire, qui constitue avantageusement un moyen de centrage de l'injecteur 28 par rapport au porte-injecteur 18, c'est-à-dire au tronçon supérieur 20 de support, et le centrage est ici suivant la direction radiale par rapport à l'axe principal X-X. io Avantageusement, l'entretoise 60 est traversée par au moins un pion 46 présentant axialement une grande longueur de manière à traverser axialement l'entretoise 60 pour faire saillie par rapport à la face supérieure horizontale de l'entretoise et constituer un moyen de détrompage 54 reçu dans un trou complémentaire 56. En variante, l'entretoise 60 comporte un moyen de détrompage 54 et/ou de centrage qui est venu de matière et s'étend axialement à partie de sa face supérieure horizontale. Selon un deuxième exemple de réalisation illustré à la figure 5, la cavité de refroidissement 42 s'étend, comme précédemment, axialement à travers le corps 30 de l'injecteur 28 et se prolonge jusqu'à au moins une partie du tronçon supérieur 20 de support du porte-injecteur 18. Le refroidissement du nez d'injection 32 s'en trouve alors 25 encore augmenté car les échanges thermiques se font axialement sur l'ensemble du corps du dispositif d'injection 10. En effet, le refroidissement du nez d'injection 32 s'effectue d'une part par conduction thermique avec la culasse 14 et, d'autre part, par convection avec l'air extérieur environnant la face supérieure 42 de la culasse 14 du moteur, ce qui permet d'éliminer encore plus de calories ou de chaleur. De préférence, chaque cavité 42 débouche ici globalement radialement dans la paroi cylindrique externe 62 du tronçon 2877055 Il supérieur 20 du porte-injecteur 18 par une ouverture de remplissage 52. Avantageusement, des moyens de liaison 64 sont agencés au voisinage des faces supérieure 50 et inférieure 58 respectivement de l'injecteur 28 et du tronçon supérieur 20 du porte-injecteur 18 pour assurer de manière étanche le raccordement et la mise en communication de la partie inférieure de la cavité 42, que comporte le corps 30 de l'injecteur 28, et de la partie supérieure de la cavité 42, que comporte le tronçon supérieur 20 du porte-injecteur 18. Les moyens de liaison 64 sont par exemple constitués par une douille cylindrique (non représentée) de raccordement axial et de manière étanche de la partie inférieure et de la partie supérieure de chaque cavité de refroidissement 42. L'ouverture de remplissage 52 est comme précédemment fermée de manière étanche par des moyens d'obturation, tels que des pions 46, après avoir été préalablement remplie de fluide caloporteur 44 avantageusement constitué par du sodium liquide. Ainsi qu'on l'aura compris, le fluide caloporteur 44, dont est remplie chaque cavité de refroidissement 42, est ici "statique" puisque chaque cavité 42 est fermée de manière étanche et il agit vis-à-vis des matériaux constitutifs du nez 32 et du corps 30 de l'injecteur 28 comme un dopant en améliorant la conductivité thermique de l'injecteur 28 ou du dispositif d'injection 10 ainsi réalisé conformément aux enseignements de l'invention. En variante (non représentée), le dispositif d'injection 10 comporte au moins un vecteur de conduction thermique constitué par un insert en matériau thermiquement conducteur qui est reçu dans une cavité complémentaire, telle que la cavité 42. Avantageusement, un tel insert de conduction thermique est noyé dans la paroi annulaire 48 du corps 30 de l'injecteur 28 et/ou la paroi du tronçon supérieur 20 du porte-injecteur 18. Bien entendu, la géométrie de la ou des cavités de refroidissement 42 est fonction des applications et du refroidissement désiré. En variantes non représentées, le corps 30 de l'injecteur 28 et/ou celui du tronçon supérieur 20 du porte injecteur 18 comporte(-nt) une unique cavité circulaire de révolution autour de l'axe X-X ou une pluralité de cavités s'étendant globalement en arc de cercle susceptibles de recevoir chacune un insert de conduction thermique. En variante, les cavités de refroidissement 42 s'étendant axialement de manière rectiligne sont raccordées entre elles par des cavités circulaires s'étendant dans un plan radial et parallèles entre elles de manière à constituer un réseau de cavités formant des "mailles" remplies de fluide caloporteur 44. L'invention permet donc d'apporter une amélioration sensible des performances des moteurs à combustion interne de véhicule automobile, notamment à injection directe et à allumage par compression. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection (10) de carburant pour moteur à combustion interne, de forme globalement cylindrique annulaire qui comporte un porteinjecteur (18) comportant axialement un tronçon supérieur (20) de support sur une partie inférieure (22) duquel est rapporté un tronçon inférieur (24) de raccord qui délimite un logement interne (26) dans lequel est monté un injecteur (28), l'injecteur (28) comportant un corps (30) dont l'extrémité inférieure est conformée en un nez d'injection (32) lo pour pulvériser le carburant à l'intérieur d'une chambre de combustion du moteur, caractérisé en ce qu'au moins le corps (30) de l'injecteur (28) comporte un vecteur de conduction thermique constitué d'au moins une cavité de refroidissement (42) qui est remplie d'un fluide caloporteur (44) pour favoriser la 1s dissipation de la chaleur du nez d'injection (32) et qui est fermée de manière étanche par des moyens d'obturation (46). 2. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cavité de refroidissement (42) s'étend globalement axialement à travers au moins une partie du corps (30) de l'injecteur (28) . 3. Dispositif d'injection (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque cavité de refroidissement (42) s'étend globalement axialement du nez d'injection (32) jusqu'à au moins une partie du tronçon supérieur (20) de support du porte-injecteur (18). 4. Injecteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs cavités de refroidissement (42) qui sont réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe principal X-X du dispositif d'injection (10). 5. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque cavité de refroidissement (42) comporte une ouverture de remplissage (52) qui est fermée de manière étanche par un pion (46) constituant les moyens d'obturation. 6. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ouverture de remplissage (52) de la cavité de refroidissement (42) débouche axialement dans une face supérieure (50) du corps (30) de l'injecteur (28) ou radialement dans une face cylindrique externe (62) du tronçon supérieur (20) du porte injecteur (18). 7. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 6, du type comportant des moyens de détrompage de manière à positionner angulairement l'injecteur (28) correctement par rapport au porte- injecteur (18) lors de son montage, caractérisé en ce que les moyens de détrompage sont constitués par au moins un pion détrompeur (54) qui, obturant une ouverture de remplissage (52), fait saillie axialement par rapport à la face supérieure (50) du corps (30) de l'injecteur (28) de manière à être reçu dans un trou complémentaire (56) du tronçon supérieur (20) de porte-injecteur. 8. Dispositif d'injection (10) selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les pions (46, 54) sont solidaires d'une pièce intermédiaire (60) qui est interposée axialement entre l'injecteur (28) et la partie inférieure (22) du tronçon supérieur (20) et qui constitue un moyen de centrage de l'injecteur (28) et du porte-injecteur (18). 9. Dispositif d'injection (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur (44) est du sodium. 10. Dispositif d'injection (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un vecteur de conduction thermique constitué par au moins un insert en matériau thermiquement conducteur qui est reçu dans une cavité complémentaire du corps (30) de l'injecteur (28) et/ou du tronçon supérieur (20) du porte-injecteur (18).