Brevet FR3014500A1 — publié le 20150612

SYSTEME D'INJECTION D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE [0001] L'invention a trait à l'injection du carburant dans les moteurs à combustion interne diesel. [0002] Le carburant est extrait du réservoir au moyen d'une pompe d'injection et délivré dans chaque chambre de combustion au moyen d'un système d'injection comprenant, pour chaque chambre, un injecteur qui assure la pulvérisation d'un volume prédéterminé de carburant en vue de sa combustion en présence d'air. [0003] Dans les moteurs diesel, on dénombre deux types d'injection : l'injection indirecte, dans laquelle l'injecteur débouche dans une chambre annexe à la chambre de combustion, également appelée préchambre ou chambre de turbulence, et l'injection directe, aujourd'hui généralisée, dans laquelle l'injecteur débouche directement dans la chambre de combustion. [0004] Les injecteurs des systèmes d'injection indirecte sont généralement du type à aiguille et trou unique, et délivrent le carburant sous forme d'un jet dans l'axe de l'aiguille. [0005] Les injecteurs des systèmes d'injection directe sont différents : ils comprennent une buse munie de plusieurs trous délivrant le carburant sous forme d'une pluralité de jets répartis à l'intérieur d'un cône, suivant un débit correspondant à une consigne prédéterminée. Une aiguille obture ou ouvre un passage pour le carburant vers les trous. Compte tenu des conditions de température et de pression régnant dans la chambre de combustion, le carburant s'y vaporise en se mélangeant à l'air. [0006] Les injecteurs connus ne vont pas sans inconvénients. [0007] Premièrement, on constate que la vaporisation du carburant dans l'air n'est pas instantanée ; elle dépend de fait de la taille des gouttes de carburant projetées par jets par les trous de la buse - et donc de la taille de ces trous. Il a été tenté de remédier à ce problème en diminuant la taille des trous mais il a été constaté que, pour maintenir le débit de carburant à la consigne, il est nécessaire d'augmenter la pression d'injection, ce qui implique de revoir l'ensemble du circuit d'injection (et en particulier de changer la pompe à injection). [0008] Deuxièmement, la commande de l'aiguille, classiquement réalisée de manière électromagnétique, se révèle trop lente (avec des temps de réponse de l'ordre de la milliseconde) pour obtenir une ouverture instantanée de l'injecteur. Il a été tenté de remédier à ce problème en équipant l'injecteur d'une commande piézoélectrique de l'aiguille. Le document FR 2 801 346 propose quant à lui d'exciter, au moyen d'un dispositif piézoélectrique, une tige obturant une buse. Le signal délivré par le dispositif piézoélectrique fait osciller une extrémité inférieure de la tige, ce qui ouvre une fente annulaire entre la tige et la buse. Ce système est intéressant en théorie, car il peut procurer des temps de réponse réduits, mais il n'est cependant pas démontré que les gouttelettes produites sont de taille plus faible que dans les injecteurs classiques. [0009] Un premier objectif est de proposer un système d'injection qui permette d'accélérer la vaporisation du carburant. [0010] Un deuxième objectif est de proposer un système d'injection permettant de diminuer sensiblement la taille des gouttes du carburant injecté. [0011] Un troisième objectif est de proposer un système d'injection ayant un faible temps de réponse. [0012] A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un système d'injection de carburant dans un moteur à combustion interne, ce système d'injection comprenant un injecteur muni d'un corps définissant une cavité pour le carburant et, à une extrémité du corps, d'une buse ayant une face interne tournée vers la cavité et une face externe opposée ; dans ce système d'injection : la buse est munie d'une multitude de perforations, les perforations s'ouvrent sur la face externe de la buse par des ouvertures de taille micrométrique, le système comprend un circuit électrique de commande relié à la buse et agencé pour adopter deux états : o un état d'excitation dans lequel il fait vibrer la buse pendant un intervalle d'excitation prédéterminé, o un état de repos dans lequel il laisse la buse immobile par rapport au corps, pendant un intervalle de repos prédéterminé ; l'injecteur comprend en outre un obturateur monté mobile par rapport au corps entre : o une position d'injection dans laquelle, la buse étant dans son état d'excitation, l'obturateur est écarté de la face interne de la buse, o une position d'obturation dans laquelle, la buse étant dans son état de repos, l'obturateur est accolé à la face interne de la buse. [0013] Ainsi structuré, l'injecteur produit un brouillard de fines gouttelettes de taille micrométrique, ce qui favorise un mélange à la fois rapide et homogène avec l'air admis dans la chambre de 15 combustion. [0014] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : la buse se présente sous forme d'un disque ; la buse est solidaire, par un bord périphérique, du corps ; 20 - l'obturateur est solidaire d'un piston monté coulissant dans une chambre formée dans le corps ; le piston est réalisé dans un matériau magnétique, l'injecteur comprenant un électroaimant monté dans le corps pour déplacer le piston vers la position de repos par effet magnétique ; 25 le système comprend un ressort de rappel qui sollicite le piston vers la position d'injection. [0015] Il est proposé, en deuxième lieu, un moteur à combustion interne comprenant au moins une chambre de combustion, ce moteur étant en outre équipé d'un système d'injection tel que décrit 30 précédemment, dont l'injecteur débouche directement dans la chambre de combustion. [0016] II est proposé, en troisième lieu, un véhicule automobile équipé d'un tel moteur. [0017] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la 35 lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe illustrant, de manière schématique, une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injection directe ; la figure 2 est une vue en coupe partielle montrant un injecteur équipant le moteur de la figure 1 en position d'injection avec, en médaillon, un détail à échelle agrandie ; la figure 3 est une vue similaire à la figure 2, montrant l'injecteur en position d'obturation. [0018] Sur la figure 1 est représenté un moteur 1 diesel à 10 combustion interne pour un véhicule V automobile, qui n'est que schématiquement illustré. [0019] Le moteur 1 comprend un carter 2 dans lequel sont formés des cylindres 3. Pour des raisons de clarté, seul un unique cylindre 3 est représenté sur la figure. Dans le ou chaque cylindre 3, délimité par 15 une paroi 4, un piston 5 est monté coulissant. Le piston 5 délimite, avec la paroi 4 du cylindre 3, une chambre 6 de combustion. Le piston 5 est relié par l'intermédiaire d'une bielle 7 à un vilebrequin 8 (illustré par un cercle en trait mixte sur la figure) monté en rotation par rapport au carter 2 moteur. 20 [0020] Dans l'exemple illustré, le refroidissement de chaque cylindre 3 est assuré par un circuit 9 de refroidissement intégré au cylindre 3, dont la paroi 4 est creuse pour permettre la circulation du liquide de refroidissement. [0021] Le carter 2 moteur est surmonté d'une culasse 10 dans 25 laquelle sont percés un conduit 11 d'admission et un conduit 12 d'évacuation des gaz d'échappement. [0022] Une ou plusieurs soupape(s) 13 d'admission ainsi qu'une ou plusieurs soupape(s) 14 d'évacuation sont montées au droit des embouchures des conduits 11, 12 dans la chambre 6 de combustion, 30 qu'elles obturent ou libèrent alternativement au cours du cycle de combustion. [0023] Le moteur 1 comprend en outre un système 15 d'injection pour l'alimentation de chaque chambre 6 de combustion en carburant frais. Ce circuit 15 d'injection comprend un injecteur 16 relié à une 35 pompe à carburant (non représentée), elle-même reliée à un réservoir de carburant, pilotée par un calculateur. [0024] Comme on le voit sur la figure 1, le système 15 d'injection est du type direct, l'injecteur 16 débouchant directement dans la chambre 6 de combustion. Selon un mode particulier de réalisation, l'injecteur 16 est monté dans la culasse 10 entre les soupapes 13, 14. [0025] Comme on le voit sur les figures 2 et 3, l'injecteur 16 comprend un corps 17 qui définit une cavité 18 pour le carburant. Cette cavité 18 s'étend de manière annulaire entre une paroi 19 externe et un noyau 20. Un conduit 21 d'alimentation débouche dans la cavité 18 pour remplir celle-ci de carburant. [0026] A une extrémité inférieure du corps 17, l'injecteur comprend une buse 22 agencée pour mettre en communication la cavité 18 avec la chambre 6 de combustion, selon l'état de l'injecteur 16. [0027] La buse 22 présente une face 23 interne tournée vers la cavité 18 et une face 24 externe opposée. La buse 22 est munie d'une multitude de perforations 25 qui s'ouvrent sur la face 24 externe de la buse 22 par des ouvertures 26 de taille micrométrique. Le terme « multitude » désigne avantageusement un nombre supérieur ou égal à 10 ; le terme « micrométrique » désigne avantageusement une dimension de l'ordre du micromètre, c'est-à-dire supérieure à 0,1 i..tm et inférieure à 101..tm. [0028] Le système 15 d'injection comprend par ailleurs un circuit 27 électrique de commande relié à la buse par des connecteurs 28. De manière schématique, ce circuit 27 comprend un générateur 29 de tension commandé par un calculateur 30. Le circuit 27 est agencé pour adopter deux états : o un état d'excitation dans lequel la tension fournie par le générateur 29 est délivrée, via les connecteurs 28, à la buse 22 qui, par effet piézoélectrique, entre en vibration, pendant un intervalle d'excitation prédéterminé (programmé dans le calculateur 30) correspondant à la phase d'injection de carburant dans la chambre 6 de combustion ; et, o un état de repos dans lequel le générateur 29 ne délivre aucune tension à la buse 22 qui, dès lors, demeure immobile par rapport au corps 17, pendant un intervalle de repos prédéterminé (également programmé dans le calculateur 30) correspondant aux phases de compression, combustion et évacuation du mélange air/carburant. [0029] A chacune de ses oscillations (matérialisée par une flèche double sur la figure 2), la buse 22 génère un front de gouttelettes 31 issues des perforations 25 (plusieurs fronts successifs forment à leur tour un nuage - ou un brouillard - de gouttelettes). Compte tenu de la taille micrométrique de celles-ci, chaque gouttelette 31 présente un diamètre également micrométrique. Il en résulte une évaporation quasi instantanée du carburant dans le flux d'air en provenance du conduit 11 d'admission, et une bonne homogénéité de ce mélange. Compte tenu de la taille des gouttelettes 31, l'injecteur 16 peut être qualifié de nébuliseur. [0030] Comme on le voit sur les figures 2 et 3, le système 15 d'injection comprend en outre un obturateur 32 monté dans le corps 17 au droit de la buse 22. Cet obturateur est monté mobile par rapport au corps 17 entre : o une position d'injection (figure 2) dans laquelle, la buse étant dans son état d'excitation, l'obturateur 32 est écarté de la face 23 interne de la buse 22, o une position d'obturation (figure 3) dans laquelle, la buse étant dans son état de repos, l'obturateur 32 est accolé à la face 23 interne de la buse 22. [0031] Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 2 et 3, la buse 22 se présente sous forme d'un disque, de préférence mince (c'est-à-dire dont l'épaisseur est faible devant le diamètre). La buse 22 peut être solidaire du corps 17 par un bord 33 périphérique. Comme illustré, la fixation de la buse 22 au corps 17 peut être réalisée par encastrement. [0032] De même, l'obturateur 32 peut se présenter sous forme d'un disque. Comme dans l'exemple illustré, l'obturateur 32 est par exemple solidaire, via une tige 34, d'un piston 35 monté coulissant dans une chambre 36 formée dans le corps 17, et plus précisément dans le noyau 20 [0033] Selon un mode de réalisation, la commande du déplacement de l'obturateur est électromagnétique. A cet effet, le piston 35 est réalisé dans un matériau magnétique (par exemple en acier doux), et l'injecteur 16 inclut un électroaimant 37 monté dans le corps 17 (plus précisément, dans la chambre 36) pour déplacer, par effet magnétique, le piston 35 vers la position de repos. [0034] L'électroaimant 37 est alimenté en courant, pendant l'intervalle de repos, au moyen d'un circuit électrique muni de connecteurs 38 débouchant par exemple sur une prise 39 pour le branchement d'une broche d'alimentation commandée par le calculateur 30. [0035] Le piston 35 est sollicité vers la position d'injection, pendant l'intervalle de repos, par exemple au moyen d'un ressort 40 de rappel interposé entre le piston 35 et une face avant de la chambre 36. [0036] L'obturateur 32 a une triple fonction. Premièrement, il permet de stopper l'injection de carburant pendant les phases de compression, combustion et évacuation du mélange, en obturant les perforations 25. Deuxièmement, en étant appliqué directement contre la face 23 interne de la buse 22, l'obturateur 32 limite le volume mort de carburant imbrûlé qui s'évapore dans la chambre 6 de combustion, ce volume mort étant inférieur ou égal à la somme des volumes de chaque perforation 25. Troisièmement, l'obturateur 32 sert de raidisseur en empêchant, pendant la combustion, la déformation de la buse 22 sous l'effet de l'onde de choc générée par la combustion du mélange. REVENDICATIONS1. Système (15) d'injection de carburant dans un moteur (1) à combustion interne, ce système (15) d'injection comprenant un injecteur (16) muni d'un corps (17) définissant une cavité (18) pour le carburant et, à une extrémité du corps (17), d'une buse (22) ayant une face interne tournée vers la cavité (18) et une face (24) externe opposée, la buse étant munie de perforations (25), ce système (15) d'injection étant caractérisé en ce que : la buse (22) est munie d'une multitude de perforations (25), les perforations (25) s'ouvrent sur la face (24) externe de la buse (22) par des ouvertures (26) de taille micrométrique, le système (15) comprend un circuit (27) électrique de commande relié à la buse (22) et agencé pour adopter deux états : o un état d'excitation dans lequel il fait vibrer la buse (22) pendant un intervalle d'excitation prédéterminé, o un état de repos dans lequel il laisse la buse (22) immobile par rapport au corps (17), pendant un intervalle de repos prédéterminé ; l'injecteur (16) comprend en outre un obturateur (32) monté mobile par rapport au corps (17) entre : o une position d'injection dans laquelle, la buse (22) étant dans son état d'excitation, l'obturateur (32) est écarté de la face (23) interne de la buse (22), o une position d'obturation dans laquelle, la buse étant dans son état de repos, l'obturateur (32) est accolé à la face (23) interne de la buse (22). 2. Système (15) d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse (22) se présente sous forme d'un disque. 3. Système (15) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la buse (22) est solidaire, par un bord (33) périphérique, du corps (17). 4. Système (15) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'obturateur (32) est solidaire d'un piston (35) monté coulissant dans une chambre (36) formée dans le corps (17). 5. Système (15) selon la revendication 4, caractérisé en ce le piston (35) est réalisé dans un matériau magnétique, et en ce quel'injecteur (16) comprend un électroaimant (37) monté dans le corps (17) pour déplacer le piston (35) vers la position de repos par effet magnétique. 6. Système (15) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un ressort (40) de rappel qui sollicite le piston (35) vers la position d'injection. 7. Moteur (1) à combustion interne équipé comprenant au moins une chambre (6) de combustion, ce moteur (1) étant en outre équipé d'un système (15) d'injection selon l'une des revendications précédentes, dont l'injecteur (16) débouche directement dans la chambre (6) de combustion. 8. Véhicule (V) automobile équipé d'un moteur (1) à combustion interne selon la revendication 7.