Brevet FR2941746A1 — publié le 20100806

Dispositif d'injection de liquide, notamment de carburant, à actionneur électroactif. L'invention concerne un dispositif d'injection de liquide, notamment de carburant, du type comportant un actionneur à matériau électro-actif agissant sur une aiguille pour provoquer l'injection de liquide. On connaît par le document FR 2 854 664 un dispositif d'injection comportant un corps tubulaire dans lequel est montée une aiguille. L'aiguille est terminée par une tête formant clapet avec un siège porté par l'extrémité du corps tubulaire. Du carburant sous pression alimente l'intérieur du corps tubulaire et est arrêté par le clapet. L'aiguille comporte un logement longitudinal dans lequel est placé un matériau électroactif. Lorsque le matériau électroactif est excité, il s'allonge, provoquant l'allongement élastique de l'aiguille et ainsi le décollement de la tête par rapport au siège. Le clapet est alors ouvert et le carburant passe entre le siège et la tête pour être injecté dans une chambre de combustion. L'amplitude de l'ouverture du clapet est limitée par l'amplitude d'allongement possible du matériau électroactif. Typiquement, le matériau électroactif a un allongement maximal de l'ordre de un pour mille à un pour cent de sa longueur. Pour augmenter l'amplitude, il est nécessaire d'augmenter la longueur du barreau de matériau électroactif, ce qui rend le dispositif très encombrant. 2 On connaît aussi par le document FR 2 889 257 un dispositif d'injection comportant un actionneur dont l'extrémité agit sur une extrémité de l'aiguille, opposée à l'extrémité comportant la tête. L'actionneur est contenu dans une douille qui est montée coulissante et sur laquelle des moyens d'appui formés par un ressort agissent de manière élastique afin maintenir la tête en appui sur le siège. Ce montage permet un rattrapage des dilatations différentielles qui peuvent apparaître pendant le fonctionnement du dispositif entre le corps tubulaire et l'aiguille. Ces dilatations différentielles ont pour cause des gradients de température dans le dispositif et des propriétés de dilatation qui varient d'un matériau à l'autre. Pour provoquer l'ouverture du clapet, on provoque la mise en oscillation axiale résonante de l'aiguille. L'invention vise à proposer une autre solution pour que le dispositif d'injection s'adapte aux variations différentielles auxquelles les composants du dispositif sont soumis. Elle vise également à fournir un dispositif dont une grande amplitude de déplacement de la tête d'aiguille puisse être obtenue sans prévoir un barreau électroactif très long. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif d'injection de liquide comportant un corps tubulaire, une aiguille dont une extrémité comporte une tête formant clapet sur un siège du corps tubulaire, un actionneur à matériau électro- actif apte à provoquer un déplacement de la tête de l'aiguille pour ouvrir le clapet, un conduit pour amener le liquide autour de l'aiguille jusqu'à la 3 tête, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre hydraulique délimitée par un piston d'actionneur mû par l'actionneur et un piston d'aiguille, le piston d'aiguille étant porté par l'extrémité de l'aiguille opposée à la tête, la chambre hydraulique étant alimentée en fluide par le conduit par l'intermédiaire d'un capillaire. Le couplage entre l'actionneur et l'aiguille est ainsi réalisé par le fluide contenu dans la chambre hydraulique. Un déplacement du piston d'actionneur est transmis au piston d'aiguille par l'intermédiaire du liquide contenu dans la chambre hydraulique. Comme la chambre hydraulique est en communication avec le conduit, les dilatations différentielles sont compensées par la variation du volume de liquide contenu dans la chambre hydraulique. Par capillaire, il faut comprendre un canal dont le rapport entre le diamètre et la longueur est petit. Ceci a pour conséquence que le débit de liquide à travers le capillaire est négligeable pendant le déplacement du piston d'actionneur, et que le mouvement du piston d'actionneur est entièrement transmis au piston d'aiguille, du fait de l'incompressibilité du liquide. Grâce à l'invention, on réalise un découplage entre l'actionneur et l'aiguille apte à compenser les dilatations différentielles. De manière avantageuse, la section du piston d'actionneur est supérieure à celle du piston d'aiguille. Grâce à cette caractéristique, on réalise une amplification du mouvement de l'actionneur. En effet, le déplacement du piston d'actionneur sur une première distance fait se déplacer un volume de liquide, lequel fait se déplacer le piston d'aiguille sur une deuxième distance. Comme la section d'aiguille est inférieure à celle du piston d'actionneur, la deuxième distance est plus grande que la première distance. On obtient donc une amplification du mouvement de l'actionneur. Selon une disposition constructive, le dispositif comporte une première surface de guidage dans laquelle le piston d'actionneur est monté coulissant, la surface de guidage débouchant dans une première chambre de décompression à l'opposé de la chambre hydraulique. Pour le coulissement du piston, un jeu entre la surface de guidage et le piston est nécessaire. Une petite quantité de liquide passe donc dans cet espace. La première chambre de décompression permet de collecter le liquide et d'éviter que l'actionneur soit soumis à la haute pression du liquide. De manière similaire, le dispositif comporte une deuxième surface de guidage dans laquelle le piston d'aiguille est monté coulissant, la deuxième surface de guidage débouchant dans une deuxième chambre de décompression à l'opposé de la chambre hydraulique. De manière complémentaire, l'aiguille comporte une bague fixée à l'aiguille et montée coulissante dans le corps tubulaire, une première extrémité de la bague étant en communication avec le conduit, l'autre extrémité étant en contact avec la deuxième chambre de décompression. Cette disposition permet de modifier les équilibres de forces appliquées sur l'aiguille. En particulier, en prévoyant une bague débouchant d'une part dans la deuxième chambre de décompression dans laquelle la pression est faible, et d'autre part du côté du conduit dans lequel la 5 pression est haute, on crée une force tendant à plaquer l'aiguille contre le siège. Cette force vient compenser la force appliquée sur le piston d'aiguille du fait de la haute pression dans la chambre hydraulique. Par un choix approprié des dimensions de la bague et du piston d'aiguille, la force de maintien de l'aiguille sur le siège est proportionnelle à la pression et juste nécessaire pour maintenir l'étanchéité du clapet. La première et la deuxième chambre de décompression sont par exemple reliées entre elles et en communication avec une conduite de retour qui collecte le liquide pour le ramener à un réservoir. Selon une disposition constructive, une pièce d'adaptation est emmanchée dans le corps tubulaire et porte la première et la deuxième surface de guidage. Cette disposition permet de réaliser plus facilement les surfaces de guidage et les canalisations ou capillaires. L'actionneur est par exemple un actionneur 25 magnétostrictif ou un actionneur électrostrictif, par exemple un actionneur piézoélectrique. De manière particulière, le dispositif comporte des moyens d'appui de l'actionneur sur le corps tubulaire, les moyens d'appui étant choisis parmi des 30 moyens d'appui hydrauliques ou des moyens d'appui élastiques. 6 Selon une disposition particulière, le dispositif comporte des moyens de maintien en appui de la tête de l'aiguille sur le siège. Ainsi, le clapet du dispositif est maintenu fermé sauf quand l'actionneur agit pour l'ouvrir. Selon une première disposition, les moyens de maintien comportent un ressort prenant appui sur le corps tubulaire et sur le piston d'aiguille. Selon une deuxième disposition, les moyens de maintien comportent un aimant faisant naître une force magnétique d'attraction entre le piston d'aiguille et le piston d'actionneur. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif conforme à un premier mode de réalisation de 20 l'invention ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 d'un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un actionneur du dispositif de la figure 1 dans deux états 25 différents ; - la figure 4 est une vue du détail IV de la figure 1 ; - la figure 5 est une vue similaire à la figure 4 d'une variante du dispositif. 7 Un dispositif 1 d'injection de liquide, en particulier de carburant, conforme à un premier mode de réalisation est montré sur les figures 1, 3 et 4. Il comporte un actionneur 10 de type magnétostrictif. Le dispositif 1 d'injection comporte un corps tubulaire 11 dans lequel une aiguille 12 est montée coulissante et qui est actionnée par l'actionneur 10. L'aiguille 12 comporte à une extrémité une tête 120 formant clapet sur un siège 110 du corps tubulaire 11. Le corps tubulaire 11 comporte un conduit d'alimentation 111 qui s'étend depuis une entrée 112, dans le corps tubulaire 11, puis autour de l'aiguille 12 jusqu'au siège 110, de manière à canaliser le carburant jusqu'au clapet. L'entrée 112 est destinée à être connectée à un dispositif non représenté d'alimentation en carburant sous haute pression, par exemple entre 500 et 3000 bars. Le dispositif 1 comporte une pièce d'adaptation 13 emmanchée dans un logement 16 du dispositif 1 dans le même axe que l'aiguille 12. La pièce d'adaptation 13 est en butée contre un épaulement 113 du corps tubulaire 11. L'actionneur 10 vient en butée contre la pièce d'adaptation 13 et est mis en appui contre la pièce d'adaptation 13 par des moyens d'appui formés par un mini-vérin 14. Le mini-vérin 14 comporte une chambre de poussée 140 en communication avec le conduit d'alimentation 111 en carburant. Le liquide en pression dans la chambre de poussée 140 tend à faire sortir un piston de poussée 141 qui appuie sur l'actionneur 10 et le maintient sur la pièce d'adaptation 13. Le dispositif 1 comporte une conduite de retour 15 en communication avec le logement 16 et destinée à être connectée avec un 8 réservoir de liquide, non représenté. La pièce d'adaptation 13 comporte une première surface de guidage 131 dans laquelle un piston d'actionneur 101 est monté coulissant. Le piston d'actionneur 101 est la partie active de l'actionneur 10 dont le fonctionnement sera décrit plus loin. La pièce d'adaptation 13 comporte également une deuxième surface de guidage 132 dans laquelle un piston d'aiguille 121, situé à l'opposé de la tête 120, est monté coulissant. Le piston d'actionneur 101 et le piston d'aiguille 121 se font face dans une chambre hydraulique 17. La section du piston d'actionneur 101 est supérieure à celle du piston d'aiguille 121. La chambre hydraulique 17 est alimentée en fluide par le conduit d'alimentation 111 par l'intermédiaire d'un capillaire 18 à travers en particulier la paroi de la pièce d'adaptation 13. La première surface de guidage 131 débouche dans une première chambre de décompression 19 à l'opposé de la chambre hydraulique 17. La première chambre de décompression 19 s'étend autour du piston d'actionneur 101. La première chambre de décompression 19 est en communication avec le logement 16 par un canal 135 traversant la paroi de la pièce d'adaptation 13. Le canal 135 est réalisé par exemple par un méplat sur la pièce d'adaptation 13 et un perçage qui relie ledit méplat et la première chambre de décompression 19. La partie du conduit d'alimentation 111 autour 30 de l'aiguille 12 est limitée à l'opposé de la tête 120 par une bague 122 solidaire de l'aiguille 12 et dont le diamètre est supérieur au diamètre du siège 110. La bague 122 est montée coulissante dans le corps tubulaire 11 sur une troisième surface de guidage 133. La deuxième et la troisième surface de guidage 132, 133 débouchent dans une deuxième chambre de décompression 20 à l'opposé de la chambre hydraulique 17 par rapport au piston d'aiguille 121. La première et la deuxième chambre de décompression 19, 20 sont en communication entre elles par un canal 134 qui traverse longitudinalement la pièce d'adaptation 13. En se référant à la figure 3, la structure de l'actionneur 10 est détaillée. L'actionneur 10 comporte un carter 100 de forme cylindrique qui contient la partie active de l'actionneur 10. La partie active comporte le piston d'actionneur 101 abouté à un barreau magnétostrictif 102, lui-même abouté à une masselotte 103. Le piston d'actionneur 101 comporte un épaulement 1010 contre lequel s'appuie une rondelle élastique 106, elle-même en appui contre un autre épaulement 1000 du carter. Un ressort de précontrainte 104 prend appui sur le carter 100 et comprime contre la rondelle élastique 106 l'empilement formé du piston 101, du barreau 102 et de la masselotte 103. Le barreau 102 est entouré d'un bobinage 105 électrique apte à créer un champ magnétique dans le barreau 102. Le champ magnétique provoque l'allongement du barreau 102, d'une manière connue en soi. L'allongement du barreau 102 commande ainsi le déplacement d du piston d'actionneur 101, comme représenté sur la partie droite de la figure 3, avec un écrasement partiel de la rondelle élastique 106. En modulant le courant électrique qui alimente 10 le bobinage 105, on module le déplacement du piston d'actionneur 101. Le document FR 2 889 257 décrit un exemple similaire d'actionneur et son fonctionnement. Des moyens de maintien comportent un aimant 124 logé dans le piston d'aiguille 121 et faisant naître une force magnétique d'attraction entre le piston d'aiguille 121 et le piston d'actionneur 101, de manière à maintenir normalement la tête 120 en appui sur le siège 110 et ainsi à fermer le clapet. Lorsque le dispositif 1 d'injection est en fonctionnement, il est alimenté par l'entrée 112 du conduit d'alimentation 111 avec un liquide tel que du carburant sous très haute pression, par exemple entre 500 et 3000 bars. Le liquide sous pression passe par le capillaire 18 et emplit la chambre hydraulique 17. Un peu de liquide passe de la chambre hydraulique 17 vers la première chambre de décompression 19 en passant entre la première surface de guidage 131 et le piston d'actionneur 101, puis dans le logement 16. L'excédent est évacué par la canalisation de retour 15. Un peu de liquide passe également de la chambre hydraulique 17 vers la deuxième chambre de décompression 20 en passant entre la deuxième surface de guidage 132 et le piston d'aiguille 121. Un peu de liquide passe également du conduit d'alimentation 111 vers la deuxième chambre de décompression 20 en passant entre la troisième surface de guidage 133 et la bague 122. L'excédent de liquide dans la deuxième chambre de dépression passe vers la première chambre de décompression 19 en passant par le canal 134. Le liquide sous pression agit sur le mini-vérin 14 de manière à appliquer l'actionneur 10 en appui 11 sur la pièce d'adaptation 13. Cette force d'appui est symbolisée par la flèche Fc sur la figure 3. Par ailleurs, au niveau de l'aiguille 12, le liquide sous pression agit d'une part sur la tête 120 de l'aiguille 12 en exerçant une force tendant à écarter la tête 120 du siège 110, et d'autre part sur le piston et la bague 122 en exerçant une force tendant à plaquer la tête 120 sur le siège 110. L'aiguille 12 subit en outre la force magnétique qui tend également à plaquer la tête 120 sur le siège 110. Comme le diamètre de la bague 122 est supérieur au diamètre du siège 110, la résultante de ces forces tend également à plaquer la tête 120 sur le siège 110, quelque soit la pression du liquide. L'aiguille 12 subit également la pression du liquide de la chambre hydraulique 17 qui agit sur la surface du piston d'aiguille 121. Les surfaces du piston d'aiguille 121 et de la bague 122 sont choisies pour que la résultante des forces hydrauliques ait tendance à plaquer la tête 120 sur le siège 110, avec une force suffisante pour obtenir la fermeture du clapet, y compris en prenant en compte les forces d'inertie et le poids de l'aiguille 12. Lorsque l'on souhaite réaliser une injection, l'actionneur 10 est commandé de telle sorte que le piston d'actionneur 101 coulisse dans la pièce d'adaptation 13. Il commande alors le déplacement du liquide contenu dans la chambre hydraulique 17. Le liquide augmente de pression de sorte à provoquer une force suffisamment grande sur le piston d'aiguille 121 pour déplacer l'aiguille 12 et décoller la tête 120 du siège 110. Cette augmentation de pression est 12 suffisamment rapide pour que le liquide n'ait pas le temps de s'écouler à travers le capillaire 18 ou le long des surfaces de guidage 131, 132. On nomme : - xl le déplacement réalisé par le piston d' actionneur, - x2 le déplacement réalisé par le piston d'aiguille, - S1 la section du piston d'actionneur, 10 - S2 la section du piston d'aiguille Le volume de liquide déplacé par le piston d'actionneur sert entièrement à déplacer le piston d'aiguille. Du fait de l'incompressibilité du liquide, on en déduit que x1.S1=x2.52. D'où : 15 x2=(S1/S2).x1 Comme S1 est supérieur à S2, x2 est plus grand que x1, ce qui traduit une amplification du mouvement. Le mouvement du piston d'actionneur 101 peut 20 être un mouvement oscillant combiné avec un déplacement moyen. Dans une variante montrée sur la figure 5, dans laquelle les moyens de maintien ne sont pas hydrauliques mais mécaniques, le dispositif 1" ne 25 comporte pas de deuxième chambre de décompression et le piston d'aiguille 121" ne comporte pas de bague, mais est monté coulissant dans la deuxième surface de guidage 132" portée par le corps tubulaire 11". Le 13 piston d'aiguille 121 fait saillie dans la chambre hydraulique 17" et comporte à ce niveau une gorge 1210 circulaire. Un ressort 21 est placé dans la chambre hydraulique 17" en entourant la partie saillante du piston d'aiguille 121" et en prenant appui sur un épaulement du corps tubulaire 11". L'autre extrémité du ressort 21 est maintenue par une rondelle 22 arrêtée par une clavette 23 insérée dans la gorge circulaire 1210. La première surface de guidage 131" est également portée par le corps tubulaire 11", la pièce d'adaptation étant réduite à une bague d'appui 13" de l'actionneur 10 sur un autre épaulement du corps tubulaire 11". Un capillaire 18" relie la chambre hydraulique 17" au conduit d'alimentation 111 à travers la paroi du corps tubulaire 11". Le liquide sous pression dans le conduit d'alimentation 111 passe par le capillaire 18" et emplit la chambre hydraulique 17". Le liquide s'écoule alors également entre la première surface de guidage 131" et le piston d'actionneur 101 vers la chambre de décompression, puis dans le logement 16. L'excédent est évacué par la canalisation de retour 15. Par ailleurs, au niveau de l'aiguille 12", le liquide sous pression agit d'une part sur la tête 120 de l'aiguille 12" en exerçant une force tendant à écarter la tête 120 du siège 110, et d'autre part sur le piston d'aiguille 121" dans la chambre hydraulique 17" en exerçant une force tendant à décoller la tête 120 sur le siège 110. L'aiguille 12" subit en outre la force de rappel élastique du ressort 21 qui tend à 14 plaquer la tête 120 sur le siège 110. La force de rappel du ressort est choisie pour que la tête 120 soit plaquée sur le siège 110, quelque soit la pression du liquide dans le conduit d'alimentation 111 dans la plage d'utilisation du dispositif 1. Lorsque l'on souhaite réaliser une injection, l'actionneur 10 est commandé de telle sorte que le piston d'actionneur 101 coulisse dans la première surface de guidage 131". Il commande alors le déplacement du liquide contenu dans la chambre hydraulique 17". Le liquide augmente de pression de sorte à provoquer une force suffisamment grande pour déplacer l'aiguille 12 et décoller la tête 120 du siège 110. Cette augmentation de pression est suffisamment rapide pour que le liquide n'ait pas le temps de s'écouler à travers le capillaire 18" ou le long du piston d'actionneur 101. Dans un deuxième mode de réalisation, montré sur la figure 2, l'actionneur 10' est un actionneur électrostrictif, par exemple un actionneur piézoélectrique. L'actionneur 10' comporte un carter 100' de forme cylindrique et contenant la partie active de l'actionneur 10'. La partie active comporte une pile 102' de plaques de matériau piézoélectrique, fixée par son milieu au carter 100'. L'une des extrémités de la pile 102' est libre tandis que l'extrémité opposée comporte le piston d'actionneur 101'. L'actionneur 10' comporte également des moyens d'alimentation électrique, non représentés. Le carter 100' est mis en appui contre la pièce d'adaptation 13' de la même manière que dans le premier mode de réalisation. Les autres caractéristiques sont 15 similaires à celles du premier mode de réalisation, de même que le mode de fonctionnement. Dans une variante non représentée, applicable aux deux modes de réalisation, la force d'appui de 5 l'actionneur 10 est réalisée par un ressort. La variante du premier mode de réalisation est également applicable au deuxième mode de réalisation. REVENDICATIONS1. Dispositif d'injection de liquide comportant un corps tubulaire (11), une aiguille (12) dont une extrémité comporte une tête (120) formant clapet sur un siège (110) du corps tubulaire (11), un actionneur (10) à matériau électro-actif apte à provoquer un déplacement de la tête (120) de l'aiguille (12) pour ouvrir le clapet, un conduit d'alimentation (111) pour amener le liquide autour de l'aiguille (12) jusqu'à la tête (120), caractérisé en ce qu'il comporte une chambre hydraulique (17) délimitée par un piston d'actionneur (101) mû par l'actionneur (10) et un piston d'aiguille (121), le piston d'aiguille (121) étant porté par l'extrémité de l'aiguille (12) opposée à la tête (120), la chambre hydraulique (17) étant alimentée en fluide par le conduit d'alimentation (111) par l'intermédiaire d'un capillaire (18). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la section du piston d'actionneur (101) 20 est supérieure à celle du piston d'aiguille (121). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une première surface de guidage (131) dans laquelle le piston d'actionneur (101) est monté coulissant, la première surface de 25 guidage (131) débouchant dans une première chambre de décompression (19) à l'opposé de la chambre hydraulique (17). 4. Dispositif selon la revendication 1, 17 caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième surface de guidage (132) dans laquelle le piston d'aiguille (121) est monté coulissant, la deuxième surface de guidage (132) débouchant dans une deuxième chambre de décompression (20) à l'opposé de la chambre hydraulique (17). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l'aiguille (12) comporte une bague (122) fixée à l'aiguille (12) et montée coulissante dans le corps tubulaire (11), une première extrémité de la bague (122) étant en communication avec le conduit d'alimentation (111), l'autre extrémité étant en contact avec la deuxième chambre de décompression (20). 6. Dispositif selon les revendications 3 et 4 prises en combinaison, dans lequel une pièce d'adaptation (13) est emmanchée dans le corps tubulaire (11) et porte la première et la deuxième surface de guidage (131, 132). 7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'actionneur est un actionneur (10) magnétostrictif. 8. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'actionneur est un actionneur électrostrictif, par exemple un actionneur (10') piézoélectrique. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'appui de l'actionneur (10) sur le corps tubulaire (11), les moyens d'appui étant choisis parmi des moyens d'appui 18 hydrauliques (14) ou des moyens d'appui élastiques. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de maintien (124, 21) en appui de la tête (120) de l'aiguille (12) sur le siège (110). 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens de maintien comportent un ressort (21) prenant appui sur le corps tubulaire (11) et sur le piston d'aiguille (121). 12. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens de maintien comportent un aimant (124) faisant naître une force magnétique d'attraction entre le piston d'aiguille (121) et le piston d'actionneur (101).