Brevet FR2929656A1 — publié le 20091009

INJECTEUR DE FLUIDE, ET PROCEDE DE COMMANDE D'UN TEL INJECTEUR La présente invention concerne les injecteurs de fluide, et plus particulièrement ceux qui comportent : - un corps d'injecteur définissant au moins un orifice d'injection ; un dispositif, mobile axialement dans le corps d'injecteur, qui comporte une aiguille et un ensemble actif, l'aiguille comportant une tête d'obturation d'un siège de l'intérieur du corps d'injecteur ; - des moyens de mise en compression de l'aiguille pour assurer le rappel de la tête d'obturation contre l'orifice d'injection ; l'ensemble actif comportant des moyens de mise en déplacement de l'ensemble actif dans une position dite d'injection, par allongement du dispositif, Le document FR2895031 décrit un injecteur de fluide à fréquence d'excitation ultrasonore comportant des moyens de blocage pour assurer une injection de carburant, sous forme de fines gouttelettes, mieux contrôlée par rapport aux contraintes de l'environnement de l'injecteur, c'est-à-dire pour assurer une prise en compte des dilatations différentielles ainsi que la réalisation d'une rupture d'impédance mécanique. Cependant, dans le cas très particulier d'un dispositif dont l'aiguille est une aiguille dite entrante, c'est-à dire qu'elle comporte une tête d'obturation d'un siège de l'intérieur du corps d'injecteur, et dont l'ensemble actif est apte à provoquer un allongement du dispositif, l'utilisation des moyens de blocage n'est pas satisfaisante car l'allongement du dispositif ne fait que renforcer la force de compression qui s'applique sur l'aiguille et sa tête. L'invention vise à pallier les inconvénients de l'état de la technique. Pour y parvenir, elle fournit un injecteur de fluide comportant un corps d'injecteur définissant au moins un orifice d'injection ; un dispositif, mobile axialement dans le corps d'injecteur, qui comporte une aiguille et un ensemble actif ; l'aiguille comportant une tête d'obturation d'un siège de l'intérieur du corps d'injecteur ; des moyens de mise en compression de l'aiguille pour assurer le rappel de la tête d'obturation contre l'orifice d'injection ; l'ensemble actif comportant des moyens de mise en déplacement de l'ensemble actif dans une position dite d'injection, par allongement du dispositif. Selon l'invention, l'injecteur comporte des moyens de blocage du déplacement axial de l'ensemble actif dans sa position d'injection. L'invention fournit également un procédé de commande d'un tel injecteur. Mais d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. Pour sa compréhension, on se reportera aux figures suivantes : la figure 1 représente schématiquement en coupe un premier type d'injecteur commandé par le procédé ; - la figure 2 représente schématiquement en coupe le dispositif comportant l'aiguille et l'ensemble actif ; la figure 3 représente schématiquement en coupe une variante du dispositif comportant l'aiguille et l'ensemble actif ; - la figure 4 représente schématiquement un graphique temporel illustrant une phase d'injection conforme au procédé de commande selon l'invention avec un premier mode de réalisation de l'étape de fin d'injection ; la figure 5 représente schématiquement un graphique temporel illustrant une phase d'injection conforme au procédé de commande selon l'invention avec un deuxième mode de réalisation de l'étape de fin d'injection ; la figure 6 représente schématiquement un graphique temporel illustrant une première variante de l'étape d'injection ; la figure 7 représente schématiquement un graphique temporel illustrant une deuxième variante de l'étape d'injection ; la figure 8 représente schématiquement en coupe un deuxième type d'injecteur commandé par le procédé ; - la figure 9 représente schématiquement un graphique temporel illustrant une phase d'injection conforme au procédé de commande selon l'invention et pouvant être appliqué à l'injecteur de la figure 8 ou des figures 1 à 3 ; Sur les figures et dans la description qui va suivre, les éléments identiques ou ayant la même fonction sont indiqués avec la même référence numérique. L'injecteur représenté aux figures 1 à 3 comporte un corps d'injecteur 10 formant notamment une buse 11 terminée par un orifice d'injection 12. Dans ce type d'injecteur, l'orifice d'injection définit un siège destiné à recevoir la tête d'obturation 21 de l'aiguille 20. L'injecteur comporte également un dispositif, mobile axialement dans le corps d'injecteur 10, comportant une aiguille 20 et un ensemble actif 30, solidaire de l'aiguille 20. L'aiguille 20 comporte une tête d'obturation 21 du siège de l'orifice d'injection 12 de l'intérieur du corps 10. Dans la suite du texte concernant cet injecteur, le siège faisant partie de l'orifice d'injection 12, on notera que l'aiguille 20 comporte une tête d'obturation 21 de l'orifice d'injection 12. L'aiguille 20 est appelée aiguille à tête entrante. L'ensemble actif 30 comporte des moyens de mise en vibration longitudinale cyclique de la tête d'obturation 21 de manière à alternativement ouvrir et fermer, de l'intérieur du corps d'injecteur 10, l'orifice d'injection 12. L'ensemble actif 30 comporte également des moyens de mise en déplacement de l'ensemble actif 30, par rapport au corps d'injecteur 10, dans une position dite d'injection, par l'allongement du dispositif. L'injecteur comporte également des moyens de mise en compression 13 de l'aiguille 20 pour assurer le rappel de la tête d'obturation 21 contre l'orifice d'injection 12. Selon l'invention, l'injecteur comporte des moyens de blocage, pouvant être sélectivement activables, du déplacement axial de l'ensemble actif 30 dans sa position d'injection. Les moyens de mise en déplacement de l'ensemble actif 30 par allongement du dispositif, et les moyens de mise en vibration longitudinale cyclique de la tête 21 de l'aiguille 20, peuvent être réalisés par un barreau 32 en matériau électro-actif, de préférence magnétostrictif, entouré d'une bobine 33 (appelée également solénoïde). Le matériau électro-actif a la propriété de se dilater lorsqu'il est plongé dans un champ magnétique. Pour pouvoir tirer profit des propriétés magnétostrictives du matériau, il importe de placer le barreau 32 dans un dispositif qui puisse le pré contraindre, lui imposer un champ magnétique, et le bloquer à une extrémité. On peut ainsi distinguer sur la figure 2 un dispositif dont l'aiguille 20 traverse un boîtier 31 de l'ensemble actif 30, et qui comporte à sa deuxième extrémité un plateau 22 pris en sandwich entre une surface intérieure du boîtier 31 et le barreau 32, une masse arrière 33 en contact avec l'autre extrémité du barreau 32, et un ressort 34 de pré contrainte, le tout se trouvant dans le boîtier 31 de l'ensemble actif 30, et fermé à l'aide d'un bouchon 35 Dans la variante de réalisation de la figure 3, le plateau 22 de l'aiguille 20 n'est pas directement en contact contre surface intérieure du boîtier 31, car une rondelle élastique 36 est insérée entre le plateau 22 et la surface intérieure du boîtier 30. Dans les deux cas, la tête 21 de l'aiguille 20 est disposée à l'opposée du plateau 22. Dans la configuration de la figure 2, le barreau 32 est apte à provoquer un allongement du dispositif, par l'allongement du boîtier 31 qui, lui, est apte à se déformer axialement, en fonction de la raideur du boîtier 31 et du ressort arrière 34. Dans la configuration de la figure 3, le barreau 32 est apte à provoquer un allongement du dispositif, par déplacement de l'aiguille 20 couplé ou non avec un allongement du boîtier 31, en fonction de la raideur du ressort arrière 34, de la rondelle élastique 36 et du boîtier 31. L'aiguille est mobile axialement par rapport au boîtier 31 de l'ensemble actif 30. Dans les configurations des figures 2 et 3, le barreau 32 est apte à mettre en vibration longitudinale cyclique la tête d'obturation 21 de l'aiguille 20 par rapport au boîtier 31, par dilatation/contraction du barreau 32 selon une fréquence pouvant être déterminée notamment en fonction de la longueur de l'aiguille 20. Le barreau 32 permet ainsi d'ouvrir et fermer alternativement, de l'intérieur du corps d'injecteur 10, l'orifice d'injection 12. Le barreau 32 est excité par un champ magnétique, issu du courant qui traverse la bobine 33. Le courant électrique provient d'une interface électronique 40. Lorsque le courant électrique traverse la bobine 33, un champ magnétique est engendré et le barreau 32 s'allonge. Le courant qui traverse la bobine 33 peut être la superposition d'un courant alternatif, de moyenne nulle à une fréquence de type ultrasonore, et d'un courant continu. Le courant alternatif (de préférence sinusoïdal) d'excitation va permettre de faire mouvoir la tête de l'aiguille 21 de manière alternative (de préférence sinusoïdale), ceci afin de hacher la nappe de fluide qui s'échappe de l'orifice d'injection 12 et de pulvériser sous forme de fine gouttelettes le fluide à injecter. On peut par ailleurs ajuster la fréquence du courant d'excitation aux longueurs du dispositif afin de faire entrer en résonance l'aiguille 21 et obtenir ainsi des déplacements de la tête 21 encore plus élevés. Le courant continu va, quant à lui, provoquer un déplacement de l'aiguille 20 associé ou non à un allongement du boîtier 31, selon la configuration du dispositif. Une extrémité du dispositif décrit ci-dessus correspond à la tête d'obturation 21 de l'aguille 20 qui est destinée à venir en appui contre l'orifice d'injection 12 du corps d'injecteur 10. Pour garantir l'étanchéité de l'injecteur, les moyens de mise en compression de l'aiguille 20, assurant le rappel de la tête d'obturation 21 contre l'orifice d'injection 12, peuvent coopérer avec le boîtier 31 de l'ensemble actif 30. Les moyens de rappels peuvent consister en un ressort 13 disposé entre la deuxième extrémité du dispositif et un bouchon du corps d'injecteur 10, et sa raideur sera définie en fonction des contraintes qui s'appliquent sur le dispositif de l'injecteur. Les moyens de blocage, sélectivement activables, du déplacement axial de l'ensemble actif 30 dans sa position d'injection peuvent comporter un piston 50 apte à coulisser selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe du boîtier 31, de manière à appuyer sur une zone du boîtier 31. Le piston 50 peut être déplacé par tout moyen connus, comme par exemple une chambre hydraulique 51 avec des clapets (non représentés) commandés par l'interface électronique 40, un vérin électrique ou hydraulique. Le blocage peut également se faire par un électroaimant. Dans le mode de réalisation dans lequel le boîtier 31 est apte à se déformer axialement pour réaliser au moins une partie de l'allongement du dispositif, les moyens de blocage s'appliquent de préférence dans une zone proche de l'extrémité du boîtier 31, celle où s'appliquent les moyens de mise en compression de l'aguille 20. Cette zone correspond à une zone où les déformations axiales du boîtier sont inexistantes ou au moins négligeables pour réaliser la fonction de blocage. Le procédé de commande selon l'invention va donc contrôler, à l'aide de l'interface électronique 40, les moyens de blocage et le barreau 32 (en agissant sur la bobine 33) de la façon suivante pour réaliser une phase d'injection : on procède à une étape de préparation de l'injection de fluide, dans laquelle : dans un premier temps, on procède à l'allongement du dispositif, - puis dans un deuxième temps, on procède au blocage axial de l'ensemble actif dans sa position allongée. Cette étape fondamentale va permettre de placer l'injecteur en position d'injection. Une fois cette étape réalisée, le procédé va procéder à l'injection de fluide proprement dit. Les figures 4 à 7 représentent de façon temporelle la façon dont se déroule une phase complète d'injection de fluide, par la représentation des signaux de commande appliqués à la bobine 33 et aux moyens de blocage axial. Une première courbe 100 représente le signal de courant qui traverse la bobine 33, et une deuxième courbe 200 représente un signal de blocage du boîtier 31 de l'ensemble actif 30, par exemple une courbe de pression d'un fluide agissant sur le piston 50, ou encore une courbe de courant s'appliquant sur un vérin électrique. On notera que dans tous les modes de réalisation du procédé selon l'invention, l'activation des moyens de blocage a lieu pendant un temps (par exemple T5-T2) supérieur au temps que dure l'injection (par exemple T4-T3), ce qui est nécessaire pour réaliser une injection avec ce type d'injecteur. La préparation de la phase d'injection est commune à tous les modes représentés aux figures 4 à 7. A l'instant T1, l'interface électronique 40 fait traverser un courant continu à travers la bobine 33. Le dispositif s'allonge, au moins l'extrémité arrière du boîtier 31 se déplace, et comprime le ressort 13. Après un temps nécessaire à l'élongation du barreau 32 et du dispositif (l'action est quasi instantanée), l'interface électronique 40 va envoyer le signal de blocage, de la zone de blocage du boîtier 31 de l'ensemble actif 30, aux moyens de blocage, à l'instant T2. La valeur du signal de courant continu est une valeur initiale qui va déterminer par la suite l'ouverture maximale du clapet d'injection, et donc le débit maximum que l'injecteur va pourvoir fournir pour une pression de fluide donnée. Ensuite, le signal de courant continu peut être stoppé à l'instant T3 ; le barreau 32 va se rétracter naturellement, le dispositif va également se rétracter, c'est alors que l'aiguille 20, avec sa tête 21, va se déplacer par rapport à la zone du boîtier où agissent les moyens de blocage. La tête 21 va ainsi s'éloigner de l'orifice d'injection 12 du corps 10, et le fluide sous pression dans le corps 10 va pouvoir traverser l'orifice 12. Au même instant T3, le signal de courant continu est remplacé par un signal de courant alternatif. Il est à noter cependant que le signal de courant continu peut être simplement stoppé ou que sa valeur eut être diminuée pour réaliser une injection sans réaliser de pulvérisation du fluide sous forme de fines gouttelettes, dans le cas où ce ne serait pas requis. La valeur moyenne du signal de courant alternatif ainsi que son amplitude et sa fréquence peuvent être contrôlées par l'interface électronique 40. La valeur moyenne va déterminer la rétractation du dispositif et donc le débit de l'injecteur. Ainsi, dans le schéma des figures 4 et 5, la valeur moyenne du signal de courant continu est sensiblement égale à la moitié de la valeur initiale de signal de courant continu dans l'étape de préparation de l'injection, et l'amplitude est au maximum dans les limites des conditions initiales, représentatives des limites mécaniques de déplacement de la tête d'aiguille. L'amplitude et la valeur moyenne sont constantes pendant toute l'étape d'injection du fluide. La fréquence du signal se trouve dans le domaine appelé ultrasonore, pouvant par exemple être compris entre 10 et 30 kHz, la limite haute du signal étant principalement imposée par les propriétés du barreau magnétostrictif 32. Le signal de courant alternatif peut être du type de ceux connus par l'homme du métier, en fonction des possibilités des interfaces électroniques de commande. Par exemple, le signal peut être sinusoïdal. Dans le schéma des figures 6 et 7, l'amplitude et la valeur moyenne du signal de courant alternatif sont modifiées pendant l'étape d'injection, par exemple en trois motifs d'injection. Ces exemples non limitatifs présentent l'avantage de pouvoir moduler le débit pendant l'étape d'injection elle-même. Ainsi, sur la figure 6, le premier (de T3 à Ta) et le troisième motif (de Tb à T4) correspondent à celui des figures 4 et 5, présenté ci-dessus, c'est-à-dire au débit maximum compte tenu des conditions initiales. La fréquence du signal de courant alternatif peut être cependant différente. Le deuxième motif (de Ta à Tb) est de valeur moyenne plus élevée, et d'amplitude plus faible imposée par une limite en relation avec celle du contact tête d'aguille û orifice d'injection. Le débit de fluide en résultant sera donc plus faible que pour les deux autres motifs. La particularité de cet injecteur est que le débit de fluide est inversement fonction de la composante continue du courant traversant la bobine 33. Sur la figure 7, les trois motifs d'injection sont inversés par rapport à ceux présentés ci-dessus dans la figure 6. Le débit global pendant l'étape d'injection sera plus faible, alors que la composante continue du courant demandé par l'injecteur sera plus importante. L'étape d'injection se déroule jusqu'au temps T4 pour tous les modes de réalisation des figures 4 à 7. La fin de l'injection peut être réalisée de deux manières différentes. Dans un premier mode de réalisation représenté à la figure 5, l'interface électronique 40 va arrêter le signal de blocage du boîtier 31. En même temps, le courant traversant la bobine est coupé. Ceci a lieu à l'instant T4, de préférence au moment où l'amplitude du signal de courant alternatif est à la valeur maximum, de sorte que la tête d'obturation soit en contact avec l'orifice d'injection, ou très proche de ce dernier. Dans un deuxième mode de réalisation représenté aux figures 4, 6 et 7, l'interface électronique 40 va d'abord stopper le signal de courant alternatif et va le remplacer par un signal de courant continu dans la bobine 33, d'une valeur au moins égale à la valeur initiale du signal de courant continu dans l'étape de préparation de l'injection (entre T1 et T3). Cette valeur de signal de courant continu peut être par exemple de 10 % plus élevée, afin de garantir que la tête d'obturation 21 sera de façon certaine en contact avec l'orifice d'injection 12. Après un temps (T5-T4) nécessaire à l'élongation du barreau 32 et du dispositif (l'action est quasi instantanée), l'interface électronique 40 va stopper le signal de blocage du boîtier 31 aux moyens de blocage, à T5. Et pour finir, le signal de courant continu est stoppé à l'instant T6, le dispositif se rétracte, et le ressort 13 compense la rétractation du dispositif pour que la tête d'obturation 21 soit toujours en contact avec l'orifice d'injection 12. Cependant, il est possible de couper le signal de courant continu de manière progressive, par exemple en appliquant un signal de courant forme de rampe, afin que le ressort 13 ait le temps de maintenir tête d'obturation 21 en contact avec l'orifice d'injection 12. Un avantage de ce mode de réalisation est que les chocs de la tête d'obturation 21 de l'aiguille 20 sur l'orifice d'injection 12 du corps d'injecteur 10 sont mieux contrôlés, ce qui augmente la fiabilité à long terme de l'injecteur. En référence aux figures 8 et 9, l'invention s'applique à un injecteur de fluide du type décrit précédemment, mais dans lequel il n'y a pas de moyens de mise en vibrations de la tête d'obturation de l'aiguille. C'est-à-dire que le barreau magnétostrictif est sollicité pour provoquer seulement un allongement du dispositif. De plus, l'injecteur présenté à la figure 8 peut posséder alors une tête d'obturation 101 qui peut obturer un siège 100 pouvant être distinct d'un orifice d'injection. Lorsque la tête 101 s'éloigne du siège 100, le fluide sous pression circule alors vers au moins un orifice d'injection désigné par la référence 102. Sur la figure 9, le procédé d'injection procède de façon analogue que précédemment aux instants T1 à T3, et aux instants T4 à T6. C'est-à-dire qu'on procède toujours dans un premier temps à l'allongement du dispositif, puis dans un deuxième temps au blocage axial de l'ensemble actif du dispositif dans sa position allongée. Ensuite, le signal de courant continu peut être stoppé à l'instant T3 ou il peut être modulé à une valeur plus faible ; le barreau magnétostrictif va se rétracter naturellement, le dispositif va également se rétracter, c'est alors que l'aiguille, avec sa tête d'obturation 101, va se déplacer par rapport à la zone du boîtier où agissent les moyens de blocage. La tête 101 va ainsi s'éloigner du siège 100 du corps 10, et le fluide sous pression dans le corps 10 va pouvoir traverser le siège 100 puis les orifices d'injection 102. La phase d'injection se déroule entre les temps T3 et T4. Il est possible, comme le montre la figure 9, de procéder à plusieurs injections pendant l'intervalle de temps compris entre T3 et T4. Ainsi, à l'instant T31, le signal de courant continu est réactivé à sa valeur initiale pour stopper la première injection ; et à l'instant T32 le signal de courant continu est modifié de sorte qu'il soit inférieur à la valeur initiale ou même nulle, à nouveau pour réaliser une deuxième injection jusqu'au au temps T4. Il est à noter que lors d'une phase d'injection, la valeur du signal de courant continu peut être modulée et ne pas être fixe sur toute la durée de l'injection. De la même façon, on peut appliquer un signal de courant alternatif tel que décrit précédemment pendant une phase d'injection. Revendications1) Injecteur de fluide comportant : un corps d'injecteur (10) définissant au moins un orifice d'injection (12) ; - un dispositif, mobile axialement dans le corps d'injecteur (10), qui comporte une aiguille (20) et un ensemble actif (30) ; l'aiguille (20) comportant une tête d'obturation (21) d'un siège de l'intérieur du corps d'injecteur (10) ; des moyens (13) de mise en compression de l'aiguille (20) pour assurer le rappel de la tête d'obturation (21) contre l'orifice d'injection (12) ; - l'ensemble actif (30) comportant des moyens de mise en déplacement de l'ensemble actif dans une position dite d'injection, par allongement du dispositif, caractérisé en ce que l'injecteur comporte des moyens de blocage du déplacement axial de l'ensemble actif (30) dans sa position d'injection. 2) Injecteur de fluide selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'aiguille (20) est mobile axialement par rapport à l'ensemble actif (30). 3) Injecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble actif (30) comporte un boîtier (31) apte à se déformer axialement pour allonger le dispositif. 4) Injecteur de fluide selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de blocage du déplacement axial s'appliquent dans une zone proche de l'extrémité du boîtier (10) où s'appliquent les moyens (13) de mise en compression de l'aiguille. 5) Injecteur de fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble actif comporte également des moyens de mise en vibration de la tête d'obturation de l'aiguille. 6) Injecteur de fluide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble actif comporte un barreau matériau électroactif. 9 7) Procédé d'°e commande d'un injecteur de fluide à fréquence d'excitation ultrasonore selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour réaliser une phase d'injection du fluide, il comporte une étape de préparation de l'injection dans laquelle on procède dans un premier temps à l'allongement du dispositif, puis dans un deuxième temps au blocage axial de l'ensemble actif (30) du dispositif dans sa position allongée. 8) Procédé de commande d'un injecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on commande la mise en vibration cyclique de la tête lorsque le dispositif est bloqué par les moyens de blocage, en même temps que l'on commande la rétractation du dispositif. Procédé de commande selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on commande la fin de l'injection en allongeant le dispositif et en stoppant la commande de la mise en vibration cyclique de la tête d'aiguille. 10) Procédé de commande selon la revendication précédente caractérisé en çe les moyens de blocage axial sont désactivés une fois que l'allongement du dispositif est réalisé. 11) Procédé de commande selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on commande la fin de l'injection par désactivation des moyens de blocage du dispositif en même temps que l'on stoppe la commande la mise en vibration cyclique de la tête d'aiguille. 12) Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 7 à 1 1 , caractérisé en ce que l'activation des moyens de blocage a lieu pendant un temps supérieur au temps que dure l'injection.