Brevet FR2913465A1 — publié le 20080912

Injecteur de carburant et procédé de mise en oeuvre de l'injecteur La présente invention concerne un injecteur de carburant. Elle concerne également un procédé de mise en oeuvre de l'injecteur. L'invention s'applique notamment aux injecteurs présents dans les moteurs à combustion interne à injection directe. Un des enjeux majeurs relatifs aux moteurs à combustion interne est de respecter les normes environnementales de plus en plus exigeantes. L'injection directe utilisée depuis de nombreuses années, notamment dans les moteurs Diesel, permet d'introduire du carburant dans la chambre de 1 o combustion à une pression très élevée. Une pression d'injection élevée constitue un moyen d'améliorer l'atomisation du carburant dans la chambre de combustion, et donc la surface de contact entre l'air admis dans la chambre de combustion et le carburant. Ainsi, l'homogénéisation du mélange air-carburant étant améliorée, l'émission de particules et de gaz polluants est 15 réduite. Un des paramètres permettant de réduire les émissions de polluants est donc l'augmentation de cette pression d'injection. En contrepartie, plus la pression d'injection est élevée, plus le bruit généré par le moteur est important. Le problème posé par l'injection est donc d'ajuster la 20 pression de manière à trouver un compromis entre émission de polluants et bruit généré par le moteur. La figure 1 décrit un dispositif de modulation de la pression d'injection déjà mis en oeuvre. Un injecteur 1 comporte une valve trois voies 3 placée à la jonction d'un canal 2 d'arrivée du carburant et d'un canal 4 25 d'alimentation d'une buse 5 d'injection. La valve trois voies 3 permet de moduler de façon linéaire un débit 6 de carburant arrivant à la buse 5. Cependant, la valve trois voies est relativement complexe à mettre en oeuvre et à commander dans un injecteur de carburant. De plus, elle confère des possibilités de modulation de la pression d'injection assez limitées. 30 L'invention vise à pallier les inconvénients précités afin de limiter le bruit du moteur tout en conservant une émission de polluants acceptable en regard des normes environnementales, et ce pour un coût de réalisation modique. A cet effet, l'invention a pour objet un injecteur de carburant comportant une buse d'injection et un canal d'arrivée du carburant, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux canaux intermédiaires alimentés en parallèle par le canal d'arrivée, les canaux intermédiaires alimentant la buse en carburant, en ce que le premier canal intermédiaire comporte une singularité adaptée à générer une perte de charge dans le premier canal intermédiaire et en ce que le second canal intermédiaire comporte des moyens d'ouverture/fermeture du flux de carburant. Avantageusement, la singularité présente dans au moins un des 1 o canaux intermédiaires comporte une restriction, élément facile à intégrer lors de la fabrication des canaux. Avantageusement, le dispositif d'ouverture/fermeture du flux de carburant est une valve à deux positions, peu onéreuse et facile à commander. 15 Avantageusement, les canaux intermédiaires et les moyens d'ouverture/fermeture du flux de carburant appartiennent à un composant démontable d'un corps de l'injecteur. La souplesse apportée par une telle intégration en composant peut par exemple faciliter le remplacement d'une valve connue, ou encore autoriser une association des composants en série 20 ou en parallèle plus aisée. Les moyens d'ouverture/fermeture du flux de carburant peuvent être actionnés par un volume hydraulique dont la pression est contrôlée par une valve actionnée par un solénoïde ou un mécanisme piezoélectrique. Les moyens d'ouverture/fermeture du flux de carburant peuvent 25 être actionnés par un mécanisme piézoélectrique ou un solénoïde. L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre d'un injecteur de carburant selon l'invention, un cycle d'injection de carburant comportant au moins les étapes suivantes : • pendant une durée Ott au début du cycle d'injection, les moyens 30 d'ouverture/fermeture sont à une première position, permettant d'obtenir une première pression d'injection, • pendant une durée At2 suivant la durée Ott , les moyens d'ouverture/fermeture sont à une deuxième position, différente de la première position, permettant d'obtenir une deuxième pression 35 d'injection. L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne comportant l'injecteur de carburant tel que décrit plus haut. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de 5 la description détaillée donnée à titre d'exemple et non limitative qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - figure 1, un principe de modulation de la pression d'injection selon l'art antérieur, cette figure a déjà été décrite plus haut, - figure 2a, un schéma fonctionnel d'un premier mode de 1 o réalisation de l'injecteur avec un dispositif d'ouverture/fermeture du flux de carburant en position fermée, - figure 2b, un schéma fonctionnel d'un premier mode de réalisation de l'injecteur avec un dispositif d'ouverture/fermeture du flux de carburant en position ouverte, 15 - figure 3, un schéma fonctionnel d'un deuxième mode de réalisation de l'injecteur, - figure 4, un schéma fonctionnel d'une première variante de l'injecteur, - figure 5, un schéma fonctionnel d'une deuxième variante de 20 l'injecteur, - figure 6, un procédé de mise en oeuvre de l'injecteur. Les figures 2a et 2b présentent des schémas fonctionnels d'un premier mode de réalisation d'un injecteur 1 selon l'invention. L'injecteur 1 25 comporte un canal 2 d'arrivée d'un flux de carburant 6. Le canal 2 est scindé en deux canaux intermédiaires 12 et 13. Le canal 12 est pourvu d'une singularité 11, telle qu'une restriction, adaptée à générer une perte de charge. Par exemple, une partie de la section du canal 12 est réduite. Quant au canal 13, il permet d'acheminer le flux de carburant de façon à ne pas 30 subir de perte de charge notable. Un dispositif 14 d'ouverture/fermeture du flux de carburant est placé dans le canal 13. Ce dispositif 14, ne peut être placé que dans les deux positions ouvert ou fermé . Il peut par exemple être activé par un actionneur déclenché par un signal électrique 17 issu d'un contrôleur 18 commandant également l'ouverture de la buse 5 par 35 un signal 19. En position ouverte, le dispositif 14 laisse passer tout le flux de carburant arrivant dans le canal 13. En position fermée, le dispositif 14 ne laisse pas passer le flux à travers le canal 13. Le dispositif 14 peut par exemple être une simple valve à deux positions. Les canaux 12 et 13 se rejoignent en aval du dispositif 14 et de la singularité 11 pour se raccorder en un point 15, au canal 4 d'alimentation de la buse 5 d'injection. Selon une variante de l'invention, le canal 4 d'alimentation de la buse 5 n'existe pas, mais par exemple, les canaux 12 et 13 alimentent directement la buse 5 en se raccordant à elle. Sur la figure 2a, le dispositif 14 est fermé. Le carburant arrive dans le canal 2 à une pression Psup élevée et ne peut donc passer dans le canal 4 qu'à travers le canal 12. Le canal 12 étant restreint, il existe donc une perte de charge singulière au niveau du goulet de passage entre le canal 2 et le canal 12, ce qui provoque une diminution de la pression dans le canal 4. Une pression Pinf, réduite par rapport à la pression initiale Psup, est donc observée dans le canal 4 d'alimentation de la buse 5. Ainsi, lorsque le dispositif 14 est fermé, la pression est réduite dans le canal 4 d'alimentation de la buse 5 d'injection par rapport à la pression initiale dans le canal 2 d'arrivée du carburant. Sur la figure 2b, le dispositif de fermeture 14 est ouvert. Le carburant arrive dans le canal 2 à une pression Psup élevée et peut passer dans le canal 4 à travers les canaux 12 et 13. Le flux étant réparti dans des canaux 12 et 13, il n'existe pas de perte de charge notable. Lorsque le dispositif 14 est ouvert, la pression Psup dans le canal 4 est donc sensiblement égale à la pression initiale dans le canal 2. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention présenté en figure 3, les éléments présents au repère 16 (figures 2a, 2b), à savoir les canaux intermédiaires 12 et 13 ainsi que le dispositif 14, sont placés dans un seul composant qui sera appelé valve dans la suite de la description. Ainsi, du point de vue extérieur à la valve 16, seuls deux canaux de raccordement subsistent : le canal 2 d'arrivée du carburant et le canal 4 d'alimentation de la buse 5. L'originalité de la valve 16 réside notamment dans la présence de ses deux canaux intermédiaires internes 12 et 13 couplés à son simple dispositif 14 d'ouverture/fermeture du flux de carburant. De plus, comme le montre l'exemple de la figure 4, il est possible 35 d'associer plusieurs de ces valves 16 en série afin d'affiner le contrôle sur la pression d'injection. Une première valve 16, activée par un signal électrique 17 permet de réduire la pression dans le premier canal 2' reliant la sortie de la première valve 16 àl'entrée d'une deuxième valve 16' activée par un signal électrique 17' permet d'obtenir, à la sortie de la valve 16', dans le canal 4 d'alimentation de la buse 5 une pression inférieure à celle présente dans le canal 2'. D'après le principe présenté en figures 2a et 2b, il est donc possible, selon l'état d'ouverture ou de fermeture de chacune des deux valves 16 et 16', de réguler la pression dans canal 4 selon trois niveaux différents. Les dimensions des canaux intermédiaires 12 et 13 de chacune 1 o des deux valves 16 et 16' conditionnent alors les baisses de pressions observées après fermeture d'au moins une valve 16 ou 16'. Soit Pbuse la pression présente dans le canal 4. Soit P1, P2 et P3 des niveaux de pressions décroissants, avec P1 la pression appliquée dans le canal 2 d'arrivée du carburant. En considérant le cas où la valve 16 comporte une 15 singularité entraînant une perte de charge plus importante que dans la valve 16', voici les résultats des combinaisons d'ouvertures/fermetures des deux valves : • valve 16 ouverte, valve 16' ouverte, Pbuse = Pl , • valve 16 ouverte, valve 16' fermée, Pbuse = P2, 20 • valve 16 fermée, valve 16' ouverte, Pbuse = P3, • valve 16 fermée, valve 16' fermée, Pbuse P3. Il est donc possible grâce à l'association de ces deux valves de produire une pression d'injection selon trois niveaux différents. Il est bien entendu possible d'associer en série plus de deux valves de type 16 ou 16'. 25 Une variante de l'invention présentée en figure 5 montre une autre alternative pour aboutir à des niveaux de pression différents dans le canal 4. Il s'agit, dans cette configuration, d'associer des singularités en parallèle. Les singularités 11 et 11', respectivement dans les canaux intermédiaires 12 et 12', permettent de générer des pertes de charge sous condition de fermeture 30 des dispositifs d'ouverture/fermeture respectifs 14 et 14'. Les dispositifs de fermeture 14 et 14' sont respectivement activés par un signal électrique 17 et 17' provenant du contrôleur 18. De même que pour l'association des singularités en série présentée en figure 4, il est possible par combinaison d'ouvertures/fermetures des deux dispositifs 14 et 14' de produire des 35 pressions d'alimentation de la buse 5 différentes. La figure 6 illustre un procédé de mise en oeuvre de l'injecteur 1. Il s'agit d'une modulation de la pression d'injection opérée à l'aide d'une seule valve 16 dans un moteur à combustion interne. Afin de mieux comprendre les étapes de l'injection en fonction du temps et tout au long d'un cycle de combustion 61, plusieurs chronogrammes sont présentés et illustrent : • le chronogramme 64, la pression d'alimentation de l'injecteur, • le chronogramme 65, la position de la valve de fermeture du flux de carburant, avec une position fermée 65a et une position ouverte 65b, • le chronogramme 66, la pression d'alimentation de la buse 5, avec deux niveaux de pression différents P; nf et Psup, • le chronogramme 67, la position de la buse 5, avec une position fermée 67a et une position ouverte 67b, • le chronogramme 68, le débit de carburant expulsé de la buse 5 15 avec un débit 68a nul, un débit intermédiaire 68b, et un débit maximal 68c. La pression d'alimentation 64 de l'injecteur 1, présente dans le canal d'arrivée 2, peut être maintenue à une valeur Psup constante tout au long du cycle de combustion 61. Tant que la buse 5 d'injection est en 20 position fermée 67a, c'est à dire tant qu'un cycle d'injection 62 n'a pas débuté, la pression d'alimentation 66 de la buse 5 au niveau du canal 4 reste égale à Psup et le débit de carburant 68 en sortie de l'injecteur reste nul au niveau 68a. Lorsque le cycle d'injection 62 commence, c'est à dire lorsque la 25 buse 5 passe en position ouverte 67b à un instant 63a, la pression 66 au niveau du canal d'alimentation 4 diminue à une valeur P;nf. En effet, le dispositif de fermeture 14 est encore en position fermée 65a, ce qui permet à partir de l'instant 63a d'obtenir une perte de charge dans l'alimentation de la buse 5, comme mentionnée plus haut dans la description. Le carburant 30 pouvant sortir par la buse 5, il est donc expulsé avec le débit intermédiaire 68b qui est fonction de la pression P;nf à ce moment là. A la fin d'une durée Ott , débutant à l'instant 63a, on ouvre le dispositif 14 à l'instant 63b. Cette ouverture fait alors remonter le niveau de pression 66 à Psup dans le canal 4 d'alimentation de la buse 5. Le débit de carburant expulsé de la buse 5 est donc augmenté à son niveau maximal 68c après l'instant 63b. Enfin, à un instant 63c, marquant la fin du cycle d'injection 62, la buse 5 d'injection est refermée après une durée At2 séparant les instants 63b et 63c. Le débit de carburant 68 en sortie devient donc nul au niveau 68a. Le dispositif 14 est également refermé pour permettre au cycle de combustion 61 de recommencer. En résumé, les étapes successives combinant l'ouverture et la fermeture de la buse 5 d'injection d'une part et du dispositif de fermeture 14 1 o d'autre part conduisent à échelonner le débit de carburant expulsé pendant le cycle d'injection. Le débit intermédiaire 68b est fourni pendant une durée Ott du cycle d'injection 62 puis un débit plus élevé 68c est expulsé pendant une durée At2 en fin de cycle d'injection 62. Bien évidemment, les courbes de débits 68 peuvent être variées puisqu'il est possible d'introduire d'autres 15 temps de fermetures et ouvertures du dispositif 14 pendant le cycle d'injection 42. Un avantage de fournir un débit intermédiaire 68b, réduit par rapport au débit maximal 68c, est de limiter le risque d'atteindre les parois de la chambre de combustion avec le carburant. Cela réduit donc le risque 20 d'émission de particules. Ce débit réduit 68b permet également de réduire le niveau de bruit du moteur qui est notamment fonction de la pression d'injection. Enfin, la fin du cycle d'injection 62 se termine par une injection à pression élevée ce qui permet une meilleure atomisation des gouttes de carburant, donc une homogénéisation satisfaisante du mélange air/carburant 25 et un niveau d'émission de polluants raisonnable. Un compromis est donc trouvé entre le niveau d'émissions de polluants et le bruit généré par un moteur. Un avantage de l'invention est que le compromis entre le bruit généré et émission de polluants est facilement configurable. En effet, le 30 dimensionnement de la singularité 11 conditionne l'écart de pression entre P;nf et Psup, tandis que l'allongement ou le raccourcissement des durées Ott et At2 accentue ou diminue la durée d'injection à pression élevée. Encore un avantage de l'invention est que le débit intermédiaire 68b est bien calibré par la restriction 11 tout en conserant une commande 35 simple puisque binaire. Il est bien sûr possible de généraliser ce procédé en se basant sur les dispositifs à plusieurs niveaux de pertes de charges présentés en figure 4 et 5. Là encore, l'échelonnement de pressions est aisément configurable, notamment à travers un dimensionnement idoine de chacune des singularités et des choix judicieux concernant les temps d'ouverture de chacun des différents moyens de fermeture de flux. REVENDICATIONS 1. Injecteur de carburant comportant, un corps, une buse (5) d'injection et un canal d'arrivée (2) du carburant, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux canaux intermédiaires (12, 13) alimentés en parallèle par le canal d'arrivée (2), les canaux intermédiaires (12, 13) alimentant la buse (5) en carburant, en ce que le premier canal intermédiaire (12) comporte une singularité (11) adaptée à générer une perte de charge dans le premier canal intermédiaire (12) et en ce que le second canal intermédiaire (13) comporte des moyens d'ouverture/fermeture (14) du flux de carburant. 2. Injecteur de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la singularité (11) comporte une restriction. 3. Injecteur de carburant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture/fermeture (14) du flux de carburant comportent une valve à deux positions. 4. Injecteur de carburant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux intermédiaires (12, 13) et les moyens d'ouverture/fermeture (14) du flux de carburant appartiennent à un composant (16) démontable du corps de l'injecteur (1). 5. Injecteur de carburant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture/fermeture (14) du flux de carburant sont actionnés par un volume hydraulique dont la pression est contrôlée par une valve actionnée par un solénoïde ou un mécanisme piezoélectrique. 6. Injecteur de carburant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture/fermeture (14) du flux de carburant sont actionnés par un mécanisme piézoélectrique. 7. Procédé de mise en oeuvre d'un injecteur de carburant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un cycle d'injection (62) de carburant comporte au moins les étapes suivantes : • pendant une durée z\tl au début du cycle d'injection (62), les moyens d'ouverture/fermeture (14) sont à une première position, permettant d'obtenir une première pression d'injection, • pendant une durée At2 suivant la durée At1, les moyens d'ouverture/fermeture (14) sont à une seconde position, différente de la première position, permettant d'obtenir une seconde w pression d'injection. 8. Moteur à combustion interne comportant un injecteur (1) selon l'une des revendications 1 à 6.