Brevet FR2955155A1 — publié le 20110715

DISPOSITIF D'INJECTION POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE [0001 L'invention concerne les dispositifs d'injection de carburant des moteurs à combustion interne, notamment les dispositifs d'injection pour des moteurs de véhicules automobiles dotés de systèmes de démarrage et redémarrage automatique du moteur. [0002 Pour alimenter en carburant les moteurs à combustion interne, on utilise de plus en plus fréquemment des systèmes d'injection à accumulateur haute pression. Ces systèmes d'injection sont connus sous le nom de systèmes à rampe commune (pour les moteurs diesel) et de systèmes dits HPDI, à injection directe à haute pression (pour les moteurs à allumage par étincelles). Dans ces systèmes d'injection, le carburant est envoyé, par une pompe haute pression, dans un accumulateur sous pression généralement commun à tous les cylindres. L'accumulateur fournit le carburant aux injecteurs des différents cylindres. La synchronisation et la durée des injections par les différents injecteurs est commandée électriquement ou électromagnétiquement. [0003] Dans le cas d'un tel système d'injection à rampe commune, le carburant est comprimé à l'aide d'une pompe haute pression comprenant usuellement un ou plusieurs pistons. Le carburant comprimé est ensuite stocké dans l'accumulateur haute pression formant la rampe commune, puis il est injecté dans la chambre de combustion par des injecteurs raccordés à l'accumulateur par des tubes haute pression respectifs. [0004 Outre le stockage sous pression du carburant, la rampe sert également à l'amortissement de pulsations de pression. Les instabilités de pression sont en partie générées par des apports en carburant non continus par la pompe. En effet, la pompe comprend généralement un nombre de pistons inférieur ou égal à trois, ce qui induit des variations instantanées de pression. Le prélèvement de carburant dans l'accumulateur lors d'une injection induit également une variation de pression. Des ondes de pression de carburant relativement importantes sont générées lors de la fermeture d'une aiguille d'injecteur lorsque de multiples injections de faibles quantités sont réalisées durant un temps moteur, comme c'est le cas avec la multi-injection. Afin de prémunir le moteur à combustion interne contre ces instabilités, un volume d'accumulateur relativement grand est nécessaire. [0005i Les moteurs comportant des systèmes d'injection à rampe commune nécessitent, pour démarrer, un temps comparativement plus long que des moteurs 5 comportant des systèmes d'injection à distribution ou en ligne. [0006] On remarque cet effet négatif particulièrement dans le cas de véhicules automobiles comportant un système de démarrage et redémarrage automatique du moteur thermique, dit « Stop and Start », et pour lesquels la fréquence des démarrages est relativement élevée en zone urbaine. Les moteurs à combustion 10 interne à alternodémarreur sont conçus pour réduire la consommation de carburant du véhicule en arrêtant le moteur à combustion interne lors des arrêts du véhicule. Le temps de démarrage du moteur est ainsi un point particulièrement sensible car il faut à la fois assurer une bonne prestation perçue par le client et assurer un niveau de sécurité maximal, notamment pour éviter un recul momentané du véhicule lors d'un 15 démarrage en côte. [000n La pression de toute la zone haute pression doit d'abord être portée à la pression minimale d'injection, avant que puisse être effectuée la première injection. La cause de la durée de démarrage plus longue du système à rampe commune provient ainsi du grand volume de carburant accumulé dans la zone haute pression. 20 La zone haute pression comprend l'ensemble des volumes en communication entre la sortie de la pompe et la buse des injecteurs. [0008] Cette difficulté est illustrée par la relation suivante : AP = E * (Ve-Vs)/VHP Avec AP l'augmentation de pression, E le module de compressibilité du carburant, Ve 25 le volume introduit dans la zone haute pression, Vs le volume échappé de la zone haute pression (essentiellement du aux fuites des injecteurs) et VHP le volume de la zone haute pression. Le volume de la zone haute pression nécessite ainsi un compromis. [0009i Pour raccourcir la durée nécessaire à l'établissement de la pression minimale 30 à la rampe au cours de l'opération de démarrage, les trois possibilités suivantes ont été expérimentées: réduire le volume de l'accumulateur haute pression, augmenter le débit volumique de la pompe haute pression, ou augmenter la vitesse de rotation du moteur thermique entraîné par le démarreur. Chacune de ces possibilités présente toutefois des inconvénients certains. Une réduction du volume de l'accumulateur haute pression est en pratique exclue car cela réduit l'amortissement des pulsations de pression et diminue la quantité d'énergie de pression emmagasinée. De ce fait, les avantages essentiels de la technique de rampe commune sont alors perdus. L'augmentation du débit volumique de la pompe haute pression pour le même rapport de transmission a pour conséquence un surdimensionnement de la pompe, ce qui renchérit son coût et provoque une diminution de la tenu de la courroie d'entrainement de la pompe. Dans le cas de systèmes haute pression, on doit s'attacher à concevoir des pompes de puissance ajustée pour des raisons d'économie d'énergie. De même, l'augmentation de la vitesse de rotation du démarreur est techniquement impraticable et limitée. [0010] Par des compromis acceptables entre les trois mesures citées, on ne peut que faiblement réduire la durée de démarrage. En pratique, dans le cas des moteurs diesel à rampe commune, on tolère actuellement une durée de démarrage plus longue comparée à celle des autres systèmes d'injection. [0011] Le document FR2787520 décrit une rampe commune d'injection présentant un accumulateur principal et un accumulateur auxiliaire. L'accumulateur principal et l'accumulateur auxiliaire sont connectés par l'intermédiaire d'une vanne. L'accumulateur principal est connecté à une pompe à carburant par l'intermédiaire d'une conduite d'entrée. L'accumulateur principal est connecté à l'ensemble des injecteurs par l'intermédiaire de conduites de sortie respectives. Au démarrage du moteur, la vanne est fermée pour isoler l'accumulateur auxiliaire et l'accumulateur principal. Ainsi, le volume de la zone haute pression est réduit lors de la montée en pression du carburant sous l'effet de l'activation de la pompe. Le temps de montée en pression est alors réduit. Lorsque le moteur est en fonctionnement, la vanne est ouverte pour raccorder l'accumulateur auxiliaire et l'accumulateur principal. Ainsi, le volume de la zone haute pression est accru. Une bonne stabilité de la pression d'injection est alors assurée. [0012] Un tel dispositif d'injection est en pratique coûteux et occupe un volume important. [0013] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention vise notamment à proposer un système d'injection présentant un temps de montée en pression réduit en cas de démarrage, non surdimensionné par rapport à son utilisation en fonctionnement nominal, en maintenant un important volume de la rampe commune, tout en présentant un encombrement et un coût raisonnables. L'invention porte ainsi sur un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne, comprenant une rampe commune dans laquelle un volume de stockage de carburant est délimité, une interface d'entrée de carburant débouchant dans le volume de stockage et destinée à être connectée à une pompe de carburant, au moins deux conduits de sortie débouchant dans le volume de stockage et destinés à être connectés à des injecteurs respectifs et, un organe d'isolation, apte à séparer le volume de stockage en au moins deux parties dans lesquelles un conduit de sortie respectif débouche, l'organe d'isolation étant apte à stopper alternativement l'écoulement d'une partie du volume de stockage avec l'autre partie du volume de stockage et avec l'interface d'entrée tout en maintenant cette autre partie du volume de stockage en communication avec l'interface d'entrée. [0014] Selon une variante, l'organe d'isolation est apte à mettre les deux parties du volume de stockage et l'interface d'entrée en communication. [0015] Selon encore une variante, l'organe d'isolation comprend un corps séparant lesdites deux parties du volume de stockage, un réservoir en communication avec l'interface d'entrée étant ménagé dans ledit corps, le corps présentant deux orifices reliant respectivement le réservoir aux deux parties du volume de stockage, un obturateur présentant une première position dans laquelle il ne bouche aucun desdits orifices, une deuxième position dans laquelle il bouche seulement un premier desdits orifices, une troisième position dans laquelle il bouche seulement un deuxième desdits orifices. [0016] Selon une autre variante, l'obturateur est déplaçable entre lesdites positions par l'intermédiaire d'une excitation électrique, l'obturateur étant maintenu dans ladite première position en l'absence d'excitation électrique. [0017] Selon encore une autre variante, la rampe commune comprend deux organes disposés en vis-à-vis, chacune desdites parties du volume de stockage étant formée dans un organe respectif. [0018] Selon une variante, la rampe commune comprend un organe d'un seul tenant dans lequel le volume de stockage de carburant est ménagé. [0019] Selon une autre variante, le dispositif comprend un module de commande présentant un mode de démarrage dans lequel il isole alternativement les parties du volume de stockage à une fréquence proportionnelle à la fréquence de rotation du moteur à combustion interne. [0020] Selon encore une variante, le module de commande présente un mode de fonctionnement normal dans lequel il met en communication les deux parties du volume de stockage et l'interface d'entrée. [0021] Selon encore une autre variante, le dispositif comprend une pompe de carburant haute pression connectée à l'interface d'entrée de carburant et des injecteurs connectés aux conduits de sortie. [0022] L'invention porte également sur un procédé de démarrage d'un moteur à combustion interne à rampe commune d'injection comprenant la mise en communication d'une pompe haute pression avec une première partie du volume de stockage de carburant connectée à un premier injecteur et l'interruption de l'écoulement entre la pompe haute pression et une deuxième partie du volume de stockage de carburant connectée à un deuxième injecteur ainsi que l'interruption de l'écoulement entre les première et deuxième parties du volume de stockage de carburant. [0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : • la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif d'injection 25 selon un premier mode de réalisation de l'invention ; • la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif d'injection selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; • la figure 3 est une vue en coupe schématique du dispositif d'injection de la figure 1 au niveau d'un dispositif d'isolation ; 30 • la figure 4 est une vue en coupe d'un dispositif d'isolation implanté dans une rampe d'injection ; • les figures 5 à 7 sont des vues en coupe du dispositif d'isolation dans différentes positions de fonctionnement. [0024] L'invention propose de séparer le volume de stockage d'une rampe commune en deux parties. Chaque partie du volume de stockage communique avec au moins un conduit respectif connecté à un injecteur. Pour réaliser un démarrage d'un moteur à combustion interne, on stoppe alternativement l'écoulement d'une partie vers l'autre et depuis une pompe de carburant haute pression tout en maintenant l'autre partie en communication avec cette pompe de carburant. [0025] La montée en pression du carburant lors d'un démarrage du moteur est ainsi accélérée par la réduction momentanée du volume de stockage haute pression. Le temps de démarrage du moteur est ainsi réduit tout en conservant un bon amortissement des pulsations de pression en fonctionnement normal, au moyen d'un dispositif d'injection compact et peu coûteux. De plus, l'invention permet de diminuer les fuites au niveau des injecteurs, du côté non alimenté, ce qui contribue à la diminution du temps de démarrage. [0026] La figure 1 représente de façon schématique un dispositif d'injection de carburant 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'injection de carburant 1 est configuré pour être accolé à un moteur dont les cylindres sont disposés en ligne. De façon connue en soi, le dispositif d'injection de carburant 1 comprend une pompe haute pression 2 prélevant du carburant dans un réservoir. Le dispositif 1 comprend de plus une rampe commune 4 dans laquelle un volume de stockage de carburant est délimité. La pompe 2 est destinée à refouler du carburant dans le volume de stockage de la rampe commune 4 à une pression généralement supérieure à plusieurs centaines de bars. Un tuyau 3 forme une interface d'entrée pour le carburant issu de la pompe 2 et débouche dans le volume de stockage de la rampe 4. [0027] Le volume de stockage aménagé dans la rampe commune 4 comprend des première et deuxième parties V1 et V2 séparées par un organe d'isolation 7 dont un exemple sera détaillé ultérieurement. Des conduits de sortie de carburant débouchent dans une partie respective du volume de stockage. Ainsi, les conduits de sortie 51 et 52 débouchent dans la partie V1 du volume de stockage, tandis que les conduits de sortie 53 et 54 débouchent dans la partie V2 du volume de stockage. Les conduits de sortie 51 à 54 sont connectés de façon connue en soit à des injecteurs 61 à 64. Les injecteurs 61 à 64 sont commandés par une électronique de commande pour réaliser des injections avec une synchronisation appropriée dans les chambres de combustion respectives d'un moteur à combustion interne de type diesel. [0028] Avantageusement, la rampe commune 4 comprend un organe formé d'un seul tenant dans lequel les parties V1 et V2 du volume de stockage sont ménagées. [0029] Durant le fonctionnement normal du moteur, après son démarrage, l'organe d'isolation 7 met en communication les deux parties V1 et V2 du volume de stockage de carburant et l'écoulement provenant de la pompe haute pression 2. Dans cette configuration, une zone de stockage de carburant haute pression de taille maximale est obtenue, permettant ainsi d'amortir convenablement les variations de pression de carburant. [0030] Durant le démarrage du moteur, l'organe d'isolation 7 isole alternativement une des parties du volume de stockage de l'autre partie du volume de stockage et de la pompe 2. Durant cette isolation, l'autre partie du volume de stockage est maintenue en communication avec la pompe 2. Ainsi, lorsque l'injecteur 63 ou l'injecteur 64 doit procéder à une injection, la partie V2 est maintenue en communication avec la pompe 2 par l'organe isolation 7, alors que la partie V1 est isolée de la pompe 2 et de la partie V2. Lorsque l'un des injecteurs 61 ou 62 doit procéder à une injection, on isole la partie V2 pour mettre en communication la partie V1 avec la pompe 2. Ainsi, durant le démarrage, le volume de la zone haute pression devant monter en pression est notablement réduit, réduisant ainsi le temps de démarrage du moteur. L'alternance de l'isolation est réalisée à une fréquence proportionnelle à la fréquence de rotation du moteur. La fréquence de l'alternance sera en l'occurrence 4 fois supérieure à la fréquence de rotation du moteur présentant 4 cylindres et un volume de stockage en deux parties. [0031] Le volume de la zone haute pression prend ainsi les valeurs suivantes : en fonctionnement normal : Vhp=2*V +V1 +V2 +4*V3+4*V4 lors d'un démarrage : Vhp=V +V1 +V2 +2*V3+2*V4 avec vhp le volume de la zone haute pression, V le volume de chaque partie du volume de stockage de la rampe, V1 le volume intérieur de la pompe 2, V2 le volume intérieur du tuyau 3, V3 le volume intérieur d'un conduit de sortie, V4 le volume intérieur d'un injecteur. La différence de volume de la zone haute pression dans ces deux modes de fonctionnement s'établit donc à une valeur A Vhp=V+2*V3+2*V4. [0032] Par ailleurs, les fuites au niveau des injecteurs durant la phase de démarrage 5 sont réduites de moitié, ce qui accélère encore la vitesse de montée en pression. [0033] La figure 2 représente de façon schématique un mode de réalisation d'un dispositif d'injection 1 associé à un moteur présentant une architecture en V. La rampe commune 4 comprend un répartiteur 41 en communication avec deux organes disposés en vis-à-vis, dans lesquels les parties V1 et V2 du volume de stockage sont 10 ménagées. Les conduites 51 à 53 débouchent dans la partie V1 et sont connectées respectivement aux injecteurs 61 à 63. Les conduites 54 à 56 débouchent dans la partie V2 et sont connectées respectivement aux injecteurs 64 à 66. Le répartiteur 41 est connecté à la pompe 2 par l'intermédiaire du tuyau 3. La communication entre la partie V1 et le répartiteur 41 est sélectivement interrompue par l'intermédiaire d'une 15 électrovanne 71. La communication entre la partie V2 et le répartiteur 41 est sélectivement interrompue par l'intermédiaire d'une électrovanne 72. [0034] En fonctionnement normal, les vannes 71 et 72 sont ouvertes pour bénéficier de l'intégralité de la zone haute pression pour amortir les variations de pression. Durant le démarrage, les vannes 71 et 72 sont alternativement ouvertes et fermées 20 pour réduire le volume haute pression devant subir la montée en pression. [0035] Pour un moteur avec une telle architecture, on pourra utiliser un capteur de position angulaire du vilebrequin bidirectionnel afin de déterminer préalablement au démarrage, le cylindre dans lequel l'injection sera effectuée en premier, et donc la partie du volume haute pression de la rampe commune qui sera isolée. 25 [0036] La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un organe d'isolation 7 implanté dans une rampe commune 4 telle qu'illustrée à la figure 1. L'organe d'isolation 7 est en l'occurrence une électrovanne à tiroir disposée en vis-à-vis d'un embout 31 d'entrée de carburant provenant de la pompe 2. [0037] La figure 4 est une vue en coupe plus détaillée de l'implantation de l'organe 30 d'isolation 7. Le corps 704 est destiné à séparer les deux parties du volume de stockage de la rampe 4 pour empêcher sélectivement un écoulement de carburant entre elles. Un réservoir 712 est délimité dans le corps 704. Le réservoir 712 est disposé pour recevoir le carburant provenant de l'embout 31 par un alésage 709. Un orifice 707 ménagé dans le corps 704 relie le réservoir 712 à la partie V1 du volume de stockage. Un orifice 708 ménagé dans le corps 704 relie le réservoir 712 à la partie V2 du volume de stockage. L'organe d'isolation 7 comprend un piston obturateur 701 monté coulissant dans le corps 704 de l'organe d'isolation 7. Deux électrodes 702 et 703 dont l'excitation est appliquée par un module de commande 711 permettent de faire coulisser axialement le piston 701. Le piston 701 se déplace dans le réservoir 712. Un évidement est ménagé dans une extrémité du piston 701 afin de recevoir du carburant provenant du réservoir 712. Des trous débouchants 705 et 706 sont ménagés dans le piston 701. Les trous 705 et 706 sont orientés respectivement vers les orifices 707 et 708. Les trous 705 et 706 débouchent dans l'évidement du piston 701. [0038] Des capteurs haute pression peuvent être disposés dans chacune des parties 15 V1 et V2. On pourra également envisager de disposer un capteur haute pression au niveau du réservoir 712. [0039] Le piston 701 présente 3 positions de consigne illustrées aux figures 5 à 7. Dans la première position illustrée à la figure 5, le piston n'atteint pas le niveau des orifices 707 et 708. Les parties V1 et V2 ainsi que le réservoir 712 sont alors en 20 communication. Cette position correspond au fonctionnement normal du moteur après le démarrage, assurant un volume maximal de la zone de stockage haute pression du carburant. [0040] Dans la deuxième position illustrée à la figure 6, le trou 705 est disposé en vis-à-vis de l'orifice 707. Le piston 701 obture par contre l'orifice 708. Dans cette 25 position, le réservoir 712 est en communication avec la partie V1, alors que la partie V2 est isolée. [0041] Dans la troisième position illustrée à la figure 7, le trou 706 est disposé en vis-à-vis de l'orifice 708. Le piston 701 obture par contre l'orifice 707. Dans cette position, le réservoir 712 est en communication avec la partie V2, alors que la partie 30 V1 est isolée. [0042] Un ressort de rappel 710 sollicite avantageusement le piston 701 pour le rappeler vers sa première position de consigne, permettant ainsi de ne pas perturber le fonctionnement du moteur après le démarrage, si l'organe d'isolation 7 tombe en panne. La première position est également la position d'équilibre du piston 701 en l'absence d'excitation sur les électrodes 702 et 703, toujours afin de ne pas perturber le fonctionnement du moteur après le démarrage. [0043] Afin d'optimiser le rendement énergétique de l'électrovanne de l'organe d'isolation 7, on peut utiliser une électrovanne compensée hydrauliquement. On pourra également réaliser l'électrovanne pour que les deuxième et troisième positions du piston 701 correspondent à des positions de butée de ce piston 701, ce qui limite également la consommation électrique de l'électrovanne. [0044] Bien que l'invention ait été illustrée dans un exemple où le volume de stockage est séparé en deux parties communicant avec des conduits de sortie, on peut également envisager de séparer le volume de stockage en un plus grand nombre de parties, alternativement isolées des autres parties et de l'arrivée de carburant à haute pression. REVENDICATIONS1. Dispositif d'injection de carburant (1) pour moteur à combustion interne, comprenant une rampe commune (4) dans laquelle un volume de stockage de carburant est délimité (V1, V2), une interface d'entrée de carburant débouchant dans le volume de stockage et destinée à être connectée à une pompe de carburant (2), au moins deux conduits de sortie (51,52,53,54) débouchant dans le volume de stockage et destinés à être connectés à des injecteurs respectifs (61,62,63,64) caractérisé en ce qu'il comprend en outre un organe d'isolation (7), apte à séparer le volume de stockage en au moins deux parties (V1, V2) dans lesquelles un conduit de sortie respectif débouche, l'organe d'isolation étant apte à stopper alternativement l'écoulement d'une partie du volume de stockage (V1) avec l'autre partie (V2) du volume de stockage et avec l'interface d'entrée tout en maintenant cette autre partie du volume de stockage en communication avec l'interface d'entrée. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'organe d'isolation est apte à mettre les deux parties du volume de stockage et l'interface d'entrée en communication. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'organe d'isolation (7) comprend un corps (704) séparant lesdites deux parties du volume de stockage, un réservoir (712) en communication avec l'interface d'entrée étant ménagé dans ledit corps, le corps présentant deux orifices (707,708) reliant respectivement le réservoir aux deux parties du volume de stockage et, un obturateur (701) présentant une première position dans laquelle il ne bouche aucun desdits orifices, une deuxième position dans laquelle il bouche seulement un premier desdits orifices, une troisième position dans laquelle il bouche seulement un deuxième desdits orifices. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l'obturateur (701) est déplaçable entre lesdites positions par l'intermédiaire d'une excitation électrique, l'obturateur étant maintenu dans ladite première position en l'absence d'excitation électrique.35 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la rampe commune comprend deux organes disposés en vis-à-vis, chacune desdites parties du volume de stockage étant formée dans un organe respectif. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la rampe commune (4) comprend un organe d'un seul tenant dans lequel le volume de stockage de carburant est ménagé. 10 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un module de commande présentant un mode de démarrage dans lequel il isole alternativement les parties du volume de stockage à une fréquence proportionnelle à la fréquence de rotation du moteur à combustion interne. 15 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le module de commande présente un mode de fonctionnement normal dans lequel il met en communication les deux parties du volume de stockage et l'interface d'entrée. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 comprenant une pompe de carburant haute pression (2) connectée à l'interface d'entrée de carburant et des injecteurs connectés aux conduits de sortie. 10. Procédé de démarrage d'un moteur à combustion interne à rampe commune d'injection (4) comprenant la mise en communication d'une pompe 25 haute pression (2) avec une première partie (V1) du volume de stockage de carburant connectée à un premier injecteur (61) et l'interruption de l'écoulement entre la pompe haute pression et une deuxième partie (V2) du volume de stockage de carburant connectée à un deuxième injecteur (63) ainsi que l'interruption de l'écoulement entre les première et deuxième parties du volume 30 de stockage de carburant.5