Brevet FR2940369A1 — 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 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 pressions d'injection de plus en plus élevées et qu'ils présentent des orifices d'injection dont les diamètres sont de plus en plus petits dans le but de générer des gouttelettes de carburant de petit diamètre afin d'obtenir une meilleure pulvérisation du carburant. A cette fin, les dispositifs d'injection décrits précédemment nécessitent l'utilisation de pompes performantes de 2 o coût élevé afin d'obtenir des pressions d'injection suffisamment importantes. II est également connu que de tels dispositifs d'injection comportent des bougies d'allumage pour la combustion du carburant pulvérisé dans la chambre à combustion du moteur. Cependant, l'introduction dans la chambre de combustion, des injecteurs et des bougies d'allumage 25 occasionne des contraintes d'encombrement et de forme lors de la conception de la chambre de combustion ainsi que de la culasse. Pour remédier à ce problème, il a été développé des dispositifs d'injection comportant des injecteurs de carburant intégrant des bougies d'allumage de type bobines. Cependant, l'intégration de ces bobines n'est 30 pas compatible avec la forte pression nécessaire à la pulvérisation du carburant au travers des injecteurs. En effet, cela occasionne des contraintes importantes sur les bougies d'allumage, et le fort courant nécessaire à l'alimentation des bougies d'allumage perturbe le dispositif d'injection. 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 des contraintes d'encombrement et de conception de la chambre de combustion, des contraintes liées à la forte pression de pulvérisation des injecteurs 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 ; ledit carburant électrisé 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 ; lesdits moyens pour électriser et ledit au moins un moyen d'allumage pour la combustion du carburant étant intégrés dans ledit au moins un injecteur direct. 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, le carburant électrisé dans la chambre de combustion du moteur et d'amorcer la combustion du carburant par l'intégration commune de moyens pour électriser le carburant et de moyens d'allumage du carburant dans l'injecteur de carburant. L'électrisation du carburant crée 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. Ces gouttelettes de carburant de faibles diamètres pulvérisées 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. De plus, 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 pour l'obtention d'une pulvérisation du carburant autorisant de hautes performances moteur. L'utilisation d'un injecteur de lo carburant électrostatique permet désormais d'obtenir une pulvérisation du carburant de qualité tout en s'affranchissant des contraintes liées aux fortes pressions d'injection. Enfin, l'intégration des moyens pour électriser le carburant et du moyen d'allumage du carburant dans l'injecteur de carburant permet de 15 réduire l'encombrement de la chambre de combustion et permet de simplifier la conception de la culasse. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon 20 l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont formés par une électrode ; 25 lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont alimentés par une source d'alimentation en tension ; ladite source d'alimentation en tension est formée par un circuit RLC résonant ; ladite source d'alimentation en tension délivre une tension de crête 30 supérieure ou égale à 10kV ; ladite source d'alimentation en tension délivre une tension de crête comprise entre 30 et 40kV ; ledit au moins un moyen d'allumage est alimenté par ladite source haute tension ; ledit au moins un moyen d'allumage est formé par une bougie à plasma ; ledit au moins un moyen d'allumage est formé par une bougie multiétincelles ; 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 10 pompe à piston. L'invention a également pour objet un système comportant un moteur électrique et un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'invention, ladite pompe basse pression dudit dispositif d'injection étant alimentée par ledit moteur 15 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 20 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 25 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 30 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, 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 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 1 o 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. Les injecteurs directs 20 sont formés d'une buse située à une des extrémités des injecteurs dans laquelle des orifices d'injection de faibles 15 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 20 espacés de façon régulière. Les injecteurs directs 20 intègrent également des moyens pour électrolyser le carburant sous pression provenant du rail 2 avant sa pulvérisation à travers les orifices de la buse de l'injecteur. Les moyens pour électrolyser le carburant permettent d'injecter des 25 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 30 les orifices de la buse et à la formation de très fines gouttelettes à la sortie de l'injecteur 20, les fines gouttelettes ayant tendance à se repousser les unes des autres. Ainsi l'utilisation de cette énergie supplémentaire, par électrolyse 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 5 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 10 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 haute pression d'une conception de dispositif d'injection directe connue sont 15 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, 20 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 25 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 30 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 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 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. 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 direct 20 comporte une buse 62 pourvue d'une extrémité d'injection 63 se présentant sous la forme d'une portion cylindrique 65, prolongée par une portion conique 66. La portion conique 66 comporte des orifices d'injections 68 de formes cylindriques dont le nombre varie classiquement entre cinq et douze, et dont deux orifices d'injection 68 sont représentés sur la figure 2. Les orifices d'injection 68 sont de faibles diamètres et sont agencés de façon à permettre une pulvérisation du carburant sous pression dans les chambres de combustion du moteur, la pulvérisation du carburant étant réalisée sous la forme d'une brume formée par de fines gouttelettes. Chaque orifice d'injection 68 traverse la portion conique 66 de façon à déboucher d'une part à l'extérieur de la buse 62, et d'autre part dans un espace intérieur défini par la buse 62. L'injecteur 20 comporte également une aiguille 72 apte à doser le carburant entrant dans la chambre de combustion. L'aiguille 72 est agencée à l'intérieur de l'espace créé par la portion cylindrique 65 selon un axe 64 correspondant également à un axe principal longitudinal de la buse 62 et plus généralement de l'injecteur 20. L'aiguille 72 comporte une extrémité 71 de forme conique de sorte que lorsqu'elle est abaissée, une partie de la surface extérieure de l'extrémité 71 épouse une partie de la surface intérieure de la portion conique 65 de sorte qu'elle obstrue les orifices d'injection 68. L'aiguille 72 est commandée en déplacement au moyen d'un dispositif de type piezzo ou encore à solénoïde. Lorsque les orifices d'injection 68 sont obstrués, l'injecteur 20 se 20 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 72 coulisse vers le haut de l'injecteur 20 selon l'axe 64. Le carburant provenant du rail circule à l'intérieur de l'injecteur 20 dans un espace libre 70 sensiblement de forme annulaire, situé entre la buse 25 d'injection 62 et l'aiguille 72, selon une direction principale d'écoulement représentée schématiquement par une flèche, afin de rejoindre les orifices d'injection 68 et la chambre de combustion du moteur lorsque l'injecteur 20 est en phase d'ouverture. L'injecteur 20 comporte également une bougie d'allumage 75 dont la 30 pointe 76 est intégrée dans le corps de la buse 62. La bougie d'allumage 75 allume le mélange air-carburant à la suite de la pulvérisation du carburant par l'injecteur 20 dans la chambre de combustion. La bougie d'allumage 75 est préférentiellement une bougie de type plasma, mais il est également possible d'utiliser des bougies de types multiétincelles dont la performance d'allumage est inférieure aux bougies de type plasma. s La pointe 76 de la bougie 75 a son extrémité 77 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. L'injecteur direct 20 intègre également des moyens pour électrolyser le carburant sous pression provenant du rail avant la pulvérisation à travers lo les orifices d'injection 68 de la buse 62 dans la chambre de combustion du moteur. Les moyens pour électrolyser 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 15 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 au travers des orifices d'injection 68 de la buse 62 et à la formation de très fines gouttelettes ; de l'ordre de 10 à 30 micromètres, à la sortie de l'injecteur 20 20 ayant tendance à se repousser les unes des autres. Ainsi l'utilisation de cette énergie supplémentaire, par électrolyse 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, ce qui se traduit par 25 une réduction significative de la pression du carburant nécessaire dans le rail et dans les injecteurs directs 20. L'électrode est disposée de sorte qu'elle traverse verticalement la buse 62 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 30 mode de réalisation de l'invention, l'électrode est agencée par exemple, à l'intérieur de l'aiguille 72 selon l'axe 64 et est reliée à une borne négative d'une source haute tension alors que le corps de la buse 62 est relié à un potentiel de référence. Ainsi, le carburant traverse le champ électrique présent dans la buse 62 et se charge électriquement avant sa pulvérisation de sorte que les gouttelettes chargées possèdent des forces électriques de répulsion aidant 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. Pour cela, 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 /(2~r J(L x C)) du circuit RLC, l'amplitude aux bornes de la capacité C est amplifiée permettant ainsi de fournir une amplitude de tension de crête très importante de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts. Le générateur haute tension 50 alimente à la fois l'injecteur 20 pour électrolyser 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 de la bougie d'allumage 75 pour la combustion du mélange carburé dans la chambre de combustion du moteur. L'utilisation d'un générateur haute tension 50 unique est rendue possible par le fonctionnement du moteur à combustion. En effet, dans un premier temps, le générateur haute tension 50 électrolyse le carburant lors de l'injection de celui-ci dans la chambre de combustion, puis dans un second temps, lorsque l'injection de carburant est effectuée, le générateur haute tension 50 alimente la bougie 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 permet, au moyen d'un seul injecteur, d'atomiser sous basse pression le carburant sous forme de très fines gouttelettes de carburant électrisé et de réaliser la combustion du mélange carburé de la chambre de combustion. 1 o L'électrisation du carburant permet d'améliorer sensiblement l'atomisation du carburant dans la chambre de combustion tout en s'affranchissant de l'utilisation d'une pompe haute pression coûteuse et des contraintes liées à la présence d'une forte pression à l'intérieur des injecteurs. 15 De plus, l'utilisation d'une pompe basse pression entraînée par un moteur 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, notamment lors des premiers tours du moteur lorsque le véhicule rejette en 20 grande quantité des hydrocarbures non brulés responsables d'une pollution excessive du véhicule. Enfin, à haut régime moteur, la conception du dispositif d'injecteurs directs selon l'invention permet de s'affranchir de l'utilisation de dispositifs annexes de limitation du couplage pompe/moteur thermique. 25 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 type de carburant dont les pressions de pulvérisation sont plus importantes. 30 II 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'électrolyse du 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 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 (75) 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 ; ledit carburant électrisé étant atomisé dans ladite chambre de combustion lors du passage au travers d'au moins un orifice d'injection (68) dudit au moins un injecteur direct (20) ; lesdits moyens pour électriser ledit carburant et ledit au moins un moyen d'allumage (75) pour la combustion dudit carburant pulvérisé étant intégrés dans ledit au moins un injecteur direct (20). 2. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont formés par une électrode. 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 lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont alimentés par une source d'alimentation en tension (50). 4. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) est formée par un circuit RLC résonant. 5. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 3 à 4 caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) délivre une tension de crête supérieure ou égale à 10kV. 6. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) 1 o délivre une tension de crête comprise entre 30 et 40kV. 7. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que ledit au moins un moyen d'allumage (75) est 15 alimenté par ladite source haute tension (50). 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 que ledit au moins un moyen d'allumage (75) est 20 formé par une 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 que ledit au moins un moyen d'allumage (75) est 25 formé par une bougie multi-étincelles. 10. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte une pompe basse pression (6) pour :30 la mise sous pression dudit carburant. 11. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon la revendication 10 caractérisé en ce que ladite pompe basse pression est une pompe à engrenage ou une pompe à piston. 12. 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 10 à 11, ladite pompe basse pression (6) dudit dispositif d'injection étant alimentée par ledit moteur électrique (5).10