Brevet FR2940368A1 — publié le 20100625

DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT POUR MOTEUR A INJECTION DIRECTE DE VEHICULE AUTOMOBILE,. La présente invention concerne un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans l'injection directe d'essence d'un moteur à combustion. Il est connu que des dispositifs d'injection comportant des injecteurs lo de carburant pour moteur à injection directe comportent une buse pourvue d'au moins un orifice d'injection agencé à une extrémité de l'injecteur de façon à pulvériser le carburant à l'intérieur d'une chambre à combustion sous forme de fines gouttelettes. II est également connu que de tels injecteurs fonctionnent à des 15 pressions d'injection de plus en plus élevées et qu'ils présentent des orifices d'injection dont les diamètres sont de plus en plus faibles dans le but de générer des gouttelettes de carburant de petit diamètre afin d'obtenir une meilleure pulvérisation du carburant. Ainsi, ces gouttelettes de carburant de faibles diamètres pulvérisées 20 améliorent sensiblement le mélange air-carburant dans la chambre de combustion, et permettent par conséquent d'assurer des réactions de combustion satisfaisantes à l'intérieur de ces mêmes chambres de combustion. Cependant, la conception connue des dispositifs d'injection décrits 25 précédemment nécessite l'utilisation de pompes performantes de coût élevé afin d'obtenir des pressions d'injection suffisamment importantes. De plus, il est connu que ces pompes haute pression sont entraînées par le moteur thermique par couplage mécanique au moyen d'une courroie ou encore d'un arbre à came du moteur afin de fournir des 30 niveaux de pression requis. De ce fait, lors des phases de démarrage du moteur, notamment pendant les premiers tours du moteur, les pompes haute pression ne peuvent fournir une pression suffisamment importante permettant d'obtenir une pulvérisation efficace du carburant dans la chambre de combustion du moteur. Dès lors, au cours des premiers tours du moteur, le véhicule rejette en grande quantité des hydrocarbures non brulés, les hydrocarbures non brulés étant responsables d'une pollution excessive du véhicule. Dans ce contexte, l'invention vise à fournir un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile permettant de s'affranchir de l'utilisation de pompes haute pression de coût élevé tout en assurant une meilleure combustion du carburant lors des phases de démarrage du moteur. A cette fin, l'invention propose un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile comportant au moins un injecteur direct pour la pulvérisation dudit carburant dans une chambre de combustion dudit moteur et au moins un moyen d'allumage pour la combustion dudit carburant pulvérisé dans ladite chambre de combustion, ledit dispositif d'injection de carburant étant caractérisé en ce qu'il comporte : des moyens pour électriser ledit carburant, lesdits moyens pour électriser étant intégrés audit au moins un injecteur direct ; ledit carburant électrisé sous pression étant atomisé dans ladite chambre de combustion lors du passage au travers d'au moins un orifice d'injection dudit au moins un injecteur direct ; - une source d'alimentation en tension commune auxdits moyens pour électriser ledit carburant et audit au moins un moyen d'allumage pour la combustion dudit carburant atomisé dans ladite chambre de combustion. On entend par atomiser, l'action de réduire un liquide en fines particules ; le diamètre des particules étant sensiblement compris entre 10 et 30 micromètres. Ainsi, l'injecteur de carburant selon l'invention permet de pulvériser ou d'atomiser sous la forme de fines gouttelettes du carburant électrisé dans la chambre de combustion du moteur et d'amorcer la combustion du carburant au moyen d'une source d'alimentation en tension commune. L'électrisation du carburant crée ainsi des forces électrostatiques au sein du carburant contribuant à la pulvérisation efficace du carburant, notamment par la répulsion des forces électrostatiques des gouttelettes de carburant avec la formation d'un jet de carburant sous la forme d'une brume formée de fines gouttelettes. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le dispositif d'injection de carburant pour io moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : ladite source d'alimentation en tension est formée par un circuit 15 RLC résonant ; ladite source d'alimentation en tension est une source de tension délivrant une tension crête supérieure ou égale à 10kV ; - ladite source d'alimentation en tension est une source de tension délivrant une tension crête comprise entre 30 et 40kV ; 20 le dispositif comporte une pompe basse pression pour la mise sous pression dudit carburant ; ladite pompe basse pression est une pompe à engrenage ou une pompe à piston ; lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont formés par une 25 électrode ; - ledit moyen d'allumage est formé par une bougie à plasma ; ledit moyen d'allumage est formé par une bougie multi-étincelles. L'invention a également pour objet un système comportant un moteur électrique et un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection 30 directe de véhicule automobile selon l'invention, ladite pompe basse pression dudit dispositif étant alimentée par ledit moteur électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma de principe illustrant un mode de réalisation d'un injecteur direct d'un dispositif d'injection selon l'invention ; Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes 1 o numéros de référence sauf précision contraire. La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un dispositif d'injection 10 de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'invention. Le dispositif d'injection 10, selon l'invention, est un dispositif 15 d'injection directe de carburant préférentiellement de type essence mais l'invention est également applicable pour l'injection directe d'un carburant de type diesel. Le dispositif d'injection 10 comporte un rail 2 pour le stockage du carburant sous pression, le rail 2 étant relié à quatre injecteurs directs 20, 20 chacun des injecteurs directs 20 dosant et pulvérisant le carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à injection directe. Typiquement, un dispositif d'injection comporte autant d'injecteurs directs que le moteur comporte de cylindres et par conséquent de chambres de combustion. Le rail 2 est alimenté en carburant par un réservoir 4, le carburant 25 étant mis sous pression au moyen d'une pompe basse pression 6 avant son injection dans le rail 2. Un capteur de pression 3 permet de vérifier à tout moment la pression du carburant à l'intérieur du rail 2 afin de garantir une pression de carburant sensiblement constante pour l'alimentation des injecteurs directs 20. 30 Les injecteurs directs 20 sont formés d'une buse située à une des extrémités des injecteurs dans laquelle des orifices d'injection de faibles diamètres sont agencés de façon à permettre une pulvérisation du carburant sous pression dans les chambres de combustion du moteur sous la forme d'un jet liquide de carburant sous forme d'une brume de fines gouttelettes. Le nombre d'orifices d'injection d'un injecteur, tel que représenté, varie classiquement entre cinq et douze, voire plus ; ces orifices d'injection étant espacés de façon régulière. Les injecteurs directs 20 intègrent également des moyens pour électriser le carburant sous pression provenant du rail 2 avant sa pulvérisation à travers les orifices de la buse de l'injecteur. Les moyens pour électriser le carburant permettent d'injecter des charges électrostatiques dans le carburant en utilisant des tensions de plusieurs kilovolts et de faibles intensités dans le but d'électriser le flux de carburant traversant les injecteurs directs 20. L'électrisation du carburant crée ainsi des forces électrostatiques au sein du liquide contribuant à la pulvérisation efficace du carburant à travers les orifices de la buse et à la formation de très fines gouttelettes à la sortie de l'injecteur 20, les très fines gouttelettes ayant tendance à se repousser les unes des autres. Ainsi l'utilisation de cette énergie supplémentaire, par électrisation du carburant, permet de réduire significativement la pression à fournir par les pompes nécessaire pour atteindre les performances attendues avec une pulvérisation de carburant et notamment de l'essence. Ceci se traduit par une réduction significative de la pression du carburant nécessaire dans le rail 2 et dans les injecteurs directs 20. Dès lors que les besoins en pression pour la pulvérisation du carburant sont réduits, la pompe haute pression d'une conception connue de dispositif d'injection directe, est remplacée par la pompe basse pression 6 qui est une pompe de type à engrenage ou de type à piston, selon la pression requise. L'entrainement de la pompe basse pression est réalisé au moyen d'un moteur électrique 5 permettant d'alimenter la pompe basse pression indépendamment du moteur thermique. En effet, les pompes hautes pressions d'une conception de dispositif d'injection directe connue sont couplées en couplage constant avec le moteur thermique, ce qui nécessite généralement de disposer de solutions complexes pour le découplage dans les hauts régimes moteur. De plus, lors des phases de démarrage du moteur, le moteur électrique 5 permet d'alimenter la pompe basse pression 6 instantanément, de façon à fournir une pression de carburant dans le rail 2 suffisamment élevée afin d'obtenir une bonne pulvérisation du carburant dès les premiers tours du moteur, limitant ainsi le rejet de composants polluants et garantissant une bonne combustion du carburant. Typiquement la pompe basse pression 6, selon l'invention, fournie 10 une pression inférieure à 100 bars. De ce fait, il n'est plus indispensable de disposer d'une pompe haute pression pour la compression du carburant dans le circuit d'injection du dispositif ainsi que l'obtention d'une pulvérisation du carburant autorisant de hautes performances moteur. L'utilisation d'un injecteur de carburant 15 électrostatique combiné à l'utilisation d'une pompe basse pression permet désormais d'obtenir une pulvérisation du carburant de qualité. De plus, l'utilisation d'une pompe basse pression permet de s'affranchir de l'utilisation du moteur thermique comme source d'alimentation de la pompe de compression du carburant, réduisant ainsi les coûts de 20 réalisation d'un dispositif d'injection direct de carburant et augmentant l'efficacité du moteur lors des phases de démarrage. Préférentiellement, la pompe basse pression 6 est, par exemple, une pompe à engrenage permettant de fournir une pression de l'ordre de 20 à 30 bars. Pour des pressions supérieures à 30 bars, la pompe basse pression 6 25 est préférentiellement une pompe à piston. Selon un mode préférentiel de l'invention, le dispositif d'injection 10 comporte un retour 7 de pression couplé à une électrovanne (non représentée) disposé entre le rail 2 et la pompe basse pression 6 permettant ainsi de garantir une pression constante de carburant à l'intérieur du rail 2. 30 Pour cela, la pompe basse pression 6 est alimentée de façon à produire une pression supérieure à la pression nécessaire pour la pulvérisation du carburant en prenant en compte les débits de fuite occasionnés par les injecteurs directs 20. Le retour 7 de pression permet alors de créer un débit de fuite supplémentaire calibré de façon à garantir une pression sensiblement constante du carburant dans le rail 2. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est possible de d'affranchir de l'utilisation d'un retour 7 de pression en pilotant le moteur électrique de façon à garantir une pression constante dans le rail 2 en tenant compte des débits de fuite occasionnés par les injecteurs directs 20. La figure 2 est schéma de principe illustrant un injecteur de carburant électrostatique d'un dispositif d'injection directe selon l'invention. L'injecteur 20 comporte une buse 21 pourvue d'une extrémité d'injection 23 se présentant sous la forme d'une portion cylindrique 25, prolongée par une portion conique 26. La portion conique 26 comporte des orifices d'injections 28 de formes cylindriques dont le nombre varie classiquement entre cinq et douze, et dont deux orifices d'injections 28 sont représentés sur la figure 2. Chaque orifice d'injection 28 traverse la portion conique 26 de façon à déboucher d'une part à l'extérieure de la buse 21, et d'autre part dans un espace intérieur défini par la buse 21. L'injecteur 20 comporte également une aiguille 22 apte à doser le carburant entrant dans la chambre de combustion. L'aiguille 22 est agencée à l'intérieur de l'espace créé par la portion cylindrique 25 selon un axe 24 correspondant également à un axe principal longitudinal de la buse 21 et plus généralement de l'injecteur 20. L'aiguille 22 comporte une extrémité 31 de forme conique de sorte que lorsqu'elle est abaissée, une partie de la surface extérieure de l'extrémité 31 épouse une partie de la surface intérieure de la portion conique 26 de sorte qu'elle obstrue les orifices d'injections 28. L'aiguille 22 est commandée en déplacement au moyen d'un dispositif de type piezzo ou encore à solénoïde. Lorsque les orifices d'injections 28 sont obstrués, l'injecteur 20 se trouve alors dans une phase de fermeture. Cette phase de fermeture peut ensuite être suivie d'une phase d'ouverture de l'injecteur 20 dans laquelle l'aiguille 22 coulisse vers le haut de l'injecteur 20 selon l'axe 24. Le carburant circule à l'intérieur de l'injecteur 20, dans un espace libre 30 sensiblement de forme annulaire situé entre la buse d'injection 21 et l'aiguille 22, selon une direction principale d'écoulement représentée schématiquement par une flèche, afin de rejoindre les orifices d'injections 28 et la chambre de combustion du moteur lorsque l'injecteur 20 est en phase d'ouverture. L'injecteur 20 comporte également des moyens pour électriser le carburant avant sa pulvérisation dans la chambre de combustion du moteur. Pour cela, le carburant se charge électriquement en circulant au travers d'un champ électrique formé entre une électrode (non représentée) et le corps de la buse 21 d'injection. L'électrode est disposée de sorte qu'elle traverse verticalement la buse 21 et de manière à ce que la pointe de l'électrode soit en contact avec le carburant avant sa pulvérisation dans la chambre de combustion. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, l'électrode est agencée par exemple, à l'intérieur de l'aiguille 22 selon l'axe 24 et est reliée à une borne négative d'un générateur haute tension alors que le corps de la buse 21 est relié à un potentiel de référence. Ainsi, le carburant traverse le champ électrique présent dans la buse 21 et se charge électriquement avant sa pulvérisation de sorte que les gouttelettes chargées possèdent des forces électriques de répulsion aidant ainsi sa pulvérisation sous la forme d'un nuage de fines gouttelettes. L'électrode est formée par des matériaux adaptés à l'émission d'un champ de charge électrique. Afin d'obtenir une bonne atomisation du carburant avec notamment des gouttelettes de carburant ayant un diamètre sensiblement compris entre 10 et 30 micromètres, le carburant doit être chargé par de hautes tensions de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts. Le dispositif d'injection électrostatique 10 est alimenté par un générateur haute tension 50. Le générateur haute tension 50 est formé typiquement par un circuit RLC très résonant comportant en série une résistance électrique R, une bobine L et une capacité C. Lorsque le générateur haute tension 50 est alimenté par une haute tension à une fréquence sensiblement égale à la fréquence de résonnance fc 1/(2i\/(LxC)) du circuit RLC, l'amplitude aux bornes de la capacité C est amplifiée permettant ainsi de fournir une amplitude de tension très importante de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts. Un système d'allumage 40 commandé permet d'allumer le mélange air-carburant à la suite de la pulvérisation du carburant électrisé par l'injecteur 20 dans la chambre de combustion. Le système d'allumage 40 comporte une bougie de type multiétincelles ou encore de type plasma pour allumer la charge de la chambre de combustion. On utilisera préférentiellement une bougie de type plasma également 15 appelée � à jet de plasma � permettant d'améliorer les performances d'allumage de la charge de la chambre de combustion. La pointe 41 de la bougie a son extrémité en regard avec la chambre de combustion du véhicule afin de produire un arc électrique dans la chambre de combustion pour l'inflammation de mélange carburé. 20 Le générateur haute tension 50 alimente à la fois l'injecteur 20 pour électriser le flux de carburant en utilisant des tensions de plusieurs kilovolts et de faibles intensités pour augmenter la qualité de la pulvérisation du carburant et commande également l'allumage du système d'allumage 40 pour la combustion du mélange carburé dans la chambre de combustion du 25 moteur. L'utilisation d'un générateur haute tension 50 commun est rendue possible par le fonctionnement du moteur à combustion. En effet, dans un premier temps, le générateur haute tension 50 électrise le carburant lors notamment de l'injection de celui-ci dans la chambre de combustion, puis 30 dans un second temps, lorsque l'injection de carburant est effectuée, le générateur haute tension 50 alimente la bougie 40 pour l'allumage du mélange carburé dans la chambre de combustion. Ainsi selon l'invention, le dispositif d'injection de carburant d'un moteur à injection directe comporte une générateur haute tension unique permettant d'atomiser le carburant au moyen d'injecteur direct électrostatique sous forme de très fines gouttelettes de carburant électrisé dans la chambre de combustion et permettant d'alimenter les moyens d'allumage pour la combustion du carburant injecté dans la chambre de combustion. 1 o L'électrisation du carburant permet d'améliorer sensiblement l'atomisation du carburant en s'affranchissant de l'utilisation d'une pompe haute pression coûteuse pour garantir une bonne atomisation du carburant dans la chambre de combustion du moteur. L'utilisation d'une pompe basse pression entraînée par un moteur 1s électrique permet de découpler l'entrainement de la pompe du régime moteur, ce qui permet également une meilleure montée en pression et une meilleure pulvérisation du carburant lors du démarrage du moteur. Enfin, à haut régime moteur, la conception du dispositif d'injecteurs directs selon l'invention permet de s'affranchir de l'utilisation de dispositifs 20 annexes de limitation du couplage pompe/moteur thermique. L'invention a été particulièrement décrite pour l'injection directe d'un carburant de type essence ; toutefois l'invention est également applicable à l'injection directe d'un carburant de type diesel, cependant un ajustement des pressions est nécessaire afin d'obtenir une pulvérisation efficace de ce 25 type de carburant dont les pressions de pulvérisation sont plus importantes. il est à noter que les gains de pression sont particulièrement intéressants dans le cas où l'invention est utilisée avec un carburant de type essence. L'utilisation d'une pompe basse pression grâce à l'électrisation du 30 carburant permet également de réduire les pressions dans le circuit de circulation du carburant et notamment dans le rail reliant les injecteurs directs. Il est alors possible d'utiliser des matériaux plus économiques que Il l'aluminium pour le rail tels que par exemple des matériaux plastiques résistant aux basses pressions requises. REVENDICATIONS1. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile comportant au moins un injecteur direct (20) pour la pulvérisation dudit carburant dans une chambre de combustion dudit moteur et au moins un moyen d'allumage (40) pour la combustion dudit carburant pulvérisé dans ladite chambre de combustion, ledit dispositif d'injection (10) de carburant étant caractérisé en ce qu'il comporte : des moyens pour électriser ledit carburant, lesdits moyens pour électriser étant intégrés audit au moins un injecteur direct (20) ; ledit carburant électrisé sous pression étant atomisé dans ladite chambre de combustion lors du passage au travers d'au moins un orifice d'injection (28) dudit au moins un injecteur direct (20) ; une source d'alimentation en tension (50) commune auxdits moyens pour électriser ledit carburant et audit au moins un moyen d'allumage (40) pour la combustion dudit carburant atomisé dans ladite chambre de combustion. 2. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) est formée par un circuit RLC résonant. 3. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) est une source de tension délivrant une tension crête supérieure ou égale à 10kV. 4. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) est une source de tension délivrant une tension crête comprise entre 30 et 40kV. 5. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte une pompe basse pression (6) pour lo la mise sous pression dudit carburant. 6. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite pompe basse pression (6) est une pompe à engrenage ou une 15 pompe à piston. 7. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que lesdits moyens pour électriser ledit carburant 20 sont formés par une électrode. 8. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce ledit moyen d'allumage (40) est formé par une 25 bougie à plasma. 9. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce ledit moyen d'allumage (40) est formé par une 30 bougie multi-étincelles. 10. Système caractérisé en ce qu'il comporte un moteur électrique (5) et un dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 9, ladite pompe basse pression (6) dudit dispositif étant alimentée par ledit moteur électrique (5).5