Brevet FR2899941A1 — publié le 20071019

L'invention concerne les injecteurs de carburant de moteur de véhicule. On sait que les injecteurs ont pour mission de fournir dans les cylindres du moteur du carburant pulvérisé très finement. On connaît en particulier des injecteurs de carburant à fréquence ultrasonore, piezoélectrique ou magnétostrictif. Les applications de ces injecteurs sont connues pour des moteurs diesel à injection directe ou à préchambre, des moteurs HCCI (Homogeneous Charge Compression ignition ou allumage en compression de charge homogène) ou des moteurs à essence à injection directe ou indirecte. Le but recherché est la réduction des émissions polluantes, de la consommation de carburant et de l'émission de particules de suies. Un tel injecteur doit normalement aider au fonctionnement en mélange pauvre ou stratifié. Plus précisément, on connaît des injecteurs piezoélectriques ultrasonores qui utilisent une excitation fournie par un empilement de céramiques piezoélectriques appelé stack . Le stack est installé à l'extérieur du corps. II imprime un mouvement alternatif au nez de l'injecteur qui, à son tour, imprime un mouvement oscillatoire à la tête de l'aiguille. Les mouvements du nez par rapport à la tête de l'aiguille déterminent l'ouverture et le débit de carburant. Le stack peut être également installé à l'intérieur du corps pour exciter l'aiguille. Les oscillations de l'aiguille peuvent être amplifiées si cette dernière est accordée en quart d'ondes ou près du quart d'onde. Les injecteurs magnétostrictifs ultrasonores utilisent un barreau de matière magnétostrictive de type terfenol D ou toute autre matière ayant des propriétés équivalentes. L'excitation imprimée par le barreau à l'aiguille engendre des oscillations de l'aiguille qui peuvent être amplifiées si cette dernière est accordée en quart d'onde ou près du quart d'onde. L'invention s'inscrit notamment dans le cadre d'un système d'injection de carburant à pulvérisation par actionneur ultrasonore. L'aiguille, dont le rôle est de se lever pour permettre au carburant de s'échapper sous la forme d'un jet annulaire et de fractionner le jet à une fréquence ultrasonore, n'a théoriquement aucune raison de devoir tourner autour de son axe pour accomplir ce rôle. Cependant, les inévitables imperfections d'usinage et d'assemblage peuvent engendrer des contacts entre la tête de l'aiguille et son siège qui ne sont pas répartis uniformément en termes de contrainte et de surface de contact. Une solution, dès lors, est de permettre à l'aiguille de tourner autour de son axe afin que statistiquement les défauts soient gommés au fur et à mesure du fonctionnement de l'injecteur. Un tel agencement est par exemple divulgué dans le document GB-2 161 859 dans lequel les conduits de carburant disposés dans le corps sont orientés tangentiellement à l'aiguille pour mettre cette dernière en rotation sous l'effet du flux de carburant. Toutefois, la mise en rotation de l'aiguille peut paraître insuffisante. De plus, la contrainte de disposer les canaux de carburant dans une certaine configuration dans le corps est relativement lourde. Un but de l'invention est de faciliter la mise en rotation de l'aiguille et de simplifier les moyens pour ce faire. A cet effet, on prévoit selon l'invention un injecteur de carburant de moteur de véhicule, comprenant : - une aiguille ; et - des reliefs et/ou cavités agencés pour coopérer avec le carburant pour faire tourner l'aiguille, ces reliefs et/ou cavités étant solidaires de l'aiguille. L'injecteur selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes : - les reliefs et/ou cavités comprennent des ailettes ; - les reliefs et/ou cavités sont prévus sur l'aiguille ; - les reliefs et/ou cavités sont portés par une pièce solidaire de l'aiguille ; - il s'agit d'un injecteur à fréquence ultrasonore ; - l'aiguille est fixée à un organe de masse arrière ; 3 - l'aiguille est dépourvue d'un organe de masse arrière ; - il s'agit d'un injecteur à excitation par l'aiguille ; et - il s'agit d'un injecteur à excitation par un corps recevant l'aiguille et par rapport auquel elle est mobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'un injecteur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail D de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe transversale de l'injecteur de la figure 2 selon le plan III-III ; - la figure 4 est une vue en perspective de la partie de l'injecteur illustrée aux figures 2 et 3 ; - les figures 5 et 6 sont des vues de détail illustrant des variantes de réalisation ; - les figures 7, 8, 9 et 10 sont des vues analogues à la figure 1 illustrant des deuxième, troisième, quatrième et cinquième modes de réalisation ; - la figure 11 est une vue de détail d'un sixième mode de réalisation de l'injecteur ; -les figures 12 et 13 illustrent un septième mode de réalisation, la figure 12 étant une vue en coupe axiale de l'injecteur et la figure 13 une vue en coupe transversale suivant le plan XIII-XIII de l'injecteur de la figure 12 ; et - la figure 14 est une vue en coupe axiale d'un huitième mode de réalisation de l'injecteur. Un premier mode préféré de réalisation de l'injecteur selon l'invention a été illustré aux figures 1 à 4. L'injecteur 1 comprend un corps 2 présentant un axe longitudinal 4. A l'intérieur du corps est logée une aiguille 6 s'étendant globalement suivant l'axe longitudinal 4. Le corps 2 et l'aiguille 6 sont chacun globalement symétriques de révolution autour de l'axe 4. La partie inférieure du corps 2 comprend un nez 8 de forme cylindrique d'axe 4. L'aiguille 6 présente une extrémité inférieure 10 de forme tronconique telle que la section la plus étroite du cône soit dirigée en direction de l'autre extrémité de l'aiguille. La section la plus large du cône présente un plus grand diamètre que le diamètre de l'extrémité inférieure du nez 8 et s'étend hors de ce dernier. Il s'agit donc en l'espèce d'un injecteur avec aiguille à tête sortante. Le corps 2 comprend en regard de l'aiguille un empilement de céramiques piezoélectriques ou stack 12 constituant le moteur d'excitation de l'aiguille. Les différentes couches de céramique se succèdent suivant la direction longitudinale 4 et ont chacune une forme annulaire. En partie supérieure de l'empilement se trouve une masse dite masse backing 14. Cette dernière est surmontée par un écrou 16 et un système élastique de précontrainte. Le corps et l'aiguille définissent entre eux un espace annulaire 20 apte à contenir du carburant à haute pression. Le carburant est amené depuis une entrée haute pression 22 comprenant un conduit orienté vers le bas radialement par rapport à l'axe 4 et traversant le corps 2 pour déboucher dans l'espace 20. Dans le présent mode de réalisation, une masse arrière 24 offrant une grande impédance acoustique est fixée à l'extrémité arrière 26 de l'aiguille. La jonction entre cette masse 24 et l'extrémité 26 est assurée par une bague 30 formant avec l'extrémité 26 un épaulement et dimensionnée pour venir en ajustement étroit avec la face interne cylindrique du corps afin de limiter autant que possible les fuites de carburant vers le haut. La masse 24 est reçue dans une chambre supérieure 32 du corps. Elle est surmontée par une bague supérieure 38. L'injecteur comprend un roulement 40 tel qu'un roulement à billes 42 comprenant d'une part un disque 44 fixé à la bague 38 et d'autre part une bague 46 fixe par rapport au corps 2. Entre la bague 46 et la partie inférieure de la chambre 32 est interposé suivant la direction de l'axe 4 un ressort 50 sollicitant vers le haut la bague 46 en contact avec les billes 42 et ces dernières en contact avec le disque 44. Cet ensemble contribue donc à pousser vers le haut l'aiguille 6 dans le corps 2. En partie supérieure, la chambre 32 présente un conduit 52 servant de conduit de retour du carburant basse pression. La chambre 32 forme un volume contenant du carburant à basse pression qui peut s'échapper au besoin par le conduit 52. Conformément à l'invention, l'aiguille 6 porte à proximité de son extrémité inférieure 10 plusieurs reliefs 60. Les reliefs sont formés en l'espèce par des ailettes ou aubes 60 et sont ici au nombre de quatre. Les ailettes sont allongées globalement suivant la direction de l'axe 4 et présentent une génératrice radiale à cet axe. L'extrémité supérieure des ailettes est localement tangente à un plan radial à l'axe 4 tandis que leur extrémité inférieure est localement tangente à un plan perpendiculaire à cet axe. La courbure des ailettes va en s'accentuant à mesure qu'on descend le long de l'axe 4. Comme illustré à la figure 4, les ailettes sont donc configurées et orientées de sorte que le mouvement du carburant s'écoulant depuis le conduit 22 jusqu'au nez 10 au contact des ailettes produise une rotation de l'aiguille par rapport au corps suivant le sens 56 autour de l'axe 4. Dans cet injecteur, l'aiguille est montée dans le corps de façon à pouvoir tourner librement autour de l'axe 4. Les ailettes permettent d'appliquer un couple de rotation à l'aiguille en fonction de l'écoulement du carburant. Les vibrations induites par le stack piezoélectrique libèrent l'aiguille des frottements ou réduisent suffisamment les frottements de contact dans le dispositif, permettant ainsi la rotation. Le sens de rotation est indicatif. ll dépend de l'orientation des ailettes mais n'a pas d'importance. L'invention a 6 pour avantage de ne pas induire une perte de charge trop élevée dans le flux de carburant. Dans une variante illustrée à la figure 5, on pourra prévoir que le roulement à billes 40 est un roulement standard dans lequel les billes 42 sont interposées suivant la direction radiale entre une bague interne 44 et une bague externe 46 contre laquelle le ressort 50 prend appui suivant la direction axiale. II pourrait encore s'agir d'une butée à billes, à aiguilles ou à rouleaux. Dans une variante, on pourra prévoir des reliefs et/ou cavités sur le corps pour mieux orienter le flux de carburant avant son arrivée sur les reliefs et/ou cavités de l'aiguille. L'adjonction d'un tel stator permet d'accroître le couple de rotation. Un tel stator a été illustré à titre d'exemple à la figure 6. On y retrouve les ailettes 60 solidaires de l'aiguille. On y voit aussi des ailettes 61 formant le stator et solidaires du corps 2 (et non de l'aiguille). Les ailettes 61 s'étendent en amont des ailettes 60 par référence à l'écoulement du carburant, au-dessus de celles-ci. Leur courbure va en s'accentuant vers le bas tout comme les ailettes 60 mais elles sont orientées en sens inverse à ces dernières. Elles peuvent être en nombre égal au nombre des aiguilles 60 et avoir les mêmes dimensions. Un deuxième mode de réalisation de l'invention est illustré à la figure 7. L'injecteur 3 diffère de l'injecteur 1 de la figure 1 uniquement en ce que l'aiguille n'est pas associée à une masse arrière 24. Elle est donc au contraire dans le présent exemple reliée à une impédance acoustique très faible en partie arrière. On retrouve néanmoins le stack 12, le roulement 40 et les ailettes 60 de mise en rotation. Dans le troisième mode de réalisation illustré à la figure 8, l'injecteur diffère de celui de la figure 1 uniquement par le fait qu'il s'agit cette fois d'un injecteur à tête entrante. L'aiguille présente donc une extrémité inférieure 11 de forme conique, la pointe du cône s'étendant en direction opposée à la partie supérieure de l'injecteur. L'extrémité inférieure du nez 8 est configurée de façon complémentaire en ayant une forme tronconique dont la section la plus étroite se trouve à l'extrémité inférieure. L'injecteur se trouve donc obturé lorsque l'aiguille vient en appui vers le bas contre son siège tronconique à l'extrémité inférieure du nez. Pour cela, le ressort de maintien 50 à force calibrée a une configuration inversée par rapport à celle de la figure 1. Ce ressort 50 prend appui vers le bas sur un disque 44, lui-même en appui suivant l'axe 4 par l'intermédiaire d'une bille 62 sur la partie supérieure de la masse arrière. L'extrémité supérieure du ressort 50 est en appui vers le haut sur l'extrémité supérieure du corps définissant le conduit 52. Les autres caractéristiques de l'injecteur ne sont pas modifiées. Ici encore, on pourrait remplacer la bille 62 par une butée à billes, à aiguilles ou à rouleaux. Un quatrième mode de réalisation de l'injecteur a été illustré à la figure 9. L'injecteur 7 à tête entrante diffère de celui de la figure 8 uniquement par l'absence de la masse arrière. On se trouve donc cette fois à nouveau en présence d'un injecteur dont l'aiguille est reliée à une impédance acoustique faible. Dans le cinquième mode de réalisation de la figure 10, l'injecteur 9 présente une aiguille à tête sortante tout comme celui de la figure 1. Mais il s'agit cette fois d'un injecteur à excitation directe de l'aiguille (excitation intérieure) dans la mesure où le moteur d'excitation 12 n'est plus porté par le corps 2 mais est rendu solidaire de l'aiguille 6 par son interposition entre l'extrémité supérieure de l'aiguille et la masse arrière 24. Dans un cas comme celui-ci où l'excitation est intérieure, il est nécessaire d'alimenter le moteur d'excitation par un système de contact adapté au fait que le moteur tourne sous l'effet du contact du fluide avec les ailettes. Ce contact peut être réalisé par exemple au moyen d'une électrode 70 à contact électrique central, fixée à la face supérieure du disque 44 et coopérant avec un balai occupant l'emplacement du conduit 52, lequel est déporté radialement, la deuxième électrode, non illustrée, étant reliée au corps 2 formant masse électrique. Le moteur d'excitation est ici piézoélectrique mais il pourrait tout aussi bien être magnétoréductif. Dans ce mode de réalisation, la longueur réduite de l'aiguille 6 suivant l'axe 4 amène à prolonger le conduit 22 vers le bas dans la paroi du corps pour le faire déboucher juste en amont des ailettes. Un sixième mode de réalisation a été illustré à la figure 11. Cette fois, les ailettes 60 sont disposées non sur l'aiguille mais sur la masse arrière 24. En effet, l'étanchéité relative entre le volume contenant le fluide à haute pression et le volume contenant le fluide à basse pression est assurée en l'espèce par un usinage précis et une finition de grande qualité de l'épaulement. Une rotation est possible et une fuite limitée est autorisée au niveau de cet épaulement. C'est ce qui explique l'existence d'un retour de carburant en partie supérieure de l'injecteur. Cette fuite peut être dimensionnée pour être relativement importante afin d'être utilisée avantageusement pour imprimer un couple de rotation à l'ensemble aiguille - masse arrière ou à l'ensemble aiguille - masse arrière et moteur d'excitation dans le cas d'une excitation intérieure. C'est pourquoi les ailettes peuvent être placées au niveau de la masse arrière en définissant la chambre 32 avec des dimensions suffisantes pour les recevoir. Comme illustré aux figures 12 et 13, dans un septième mode de réalisation, on peut donner une orientation tangentielle au conduit 22 pour faciliter la coopération du carburant avec les ailettes 60 portées ici par la partie supérieure de l'aiguille. II s'agit ici d'un injecteur à excitation par le corps. Les ailettes ont ici chacune une forme plane, le plan de chaque ailette étant radial à l'axe 4. Le conduit de carburant 22 est perpendiculaire à l'axe 4 et non sécant avec ce dernier. Les ailettes sont positionnées au niveau de l'arrivée de carburant et non plus bas comme dans d'autres modes de réalisation. Dans un huitième mode de réalisation illustré à la figure 14, l'injecteur est à excitation par le corps et l'aiguille est dépourvue de masse arrière. Les ailettes 60 s'étendent sur une plus grande longueur que dans les précédents modes de réalisation. Elles couvrent ainsi plus du quart, du tiers et même de la moitié de la longueur de l'aiguille. Le conduit 22 s'étend de ce fait en partie supérieure de l'injecteur pour introduire le carburant en amont des ailettes. La tête est ici entrante. Ce mode de réalisation se distingue aussi par le fait que l'aiguille a son extrémité supérieure libre de toute impédance. Roulement et ressort sont ainsi absents. L'extrémité supérieure est seulement reçue dans un logement spécifique 71. L'injecteur est obturé par un bouchon 73 en partie supérieure. L'appui de la tête sur son siège se fait grâce à la pression du fluide. L'invention apporte une plus grande robustesse de l'étanchéité dans la vie de l'injecteur. L'invention a également pour avantage que les ailettes peuvent imprimer un mouvement de rotation au carburant sortant de l'injecteur, ce qui peut être bénéfique pour la combustion. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. Les ailettes pourront être placées sur l'aiguille à un autre endroit que celui illustré sur les schémas. Le roulement permettant de laisser l'aiguille libre en rotation par rapport au corps a été représenté ici comme comprenant des billes mais il peut comprendre des rouleaux ou des aiguilles ou même un palier lisse. Le matériau pour les éléments de roulement sera un matériau dur tel qu'un acier traité ou une céramique. Bien que les reliefs aient été décrits sous forme d'ailettes, ces reliefs pourront avoir une forme différente. De même, on pourra remplacer les reliefs par des cavités telles que des creux de différentes formes ou encore prévoir une coopération de reliefs et de cavités. Les reliefs et/ou cavités pourront être disposés à la fois sur l'aiguille et une pièce solidaire de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Injecteur de carburant (1 ; 3 ; 5 ; 7 ; 9 ; 11) de moteur de véhicule, comprenant : - une aiguille (6) ; et - des reliefs (60) et/ou cavités agencés pour coopérer avec le carburant pour faire tourner l'aiguille, caractérisé en ce que les reliefs et/ou cavités sont solidaires de l'aiguille (6). 2. Injecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les reliefs et/ou cavités comprennent des ailettes (60). 3. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les reliefs et/ou cavités sont prévus sur l'aiguille (6). 4. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les reliefs et/ou cavités sont portés par une pièce (24) solidaire de l'aiguille. 20 5. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un injecteur à fréquence ultrasonore. 6. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aiguille (6) est fixée à un organe de masse arrière 25 (24). 7. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'aiguille (6) est dépourvue d'un organe de masse arrière (24). 30 8. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un injecteur (9 ; 11) à excitation par l'aiguille. 9. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 5 caractérisé en ce qu'il s'agit d'un injecteur (1 ; 3 ; 5 ; 7) à excitation par un corps (2) recevant l'aiguille et par rapport auquel elle est mobile.