Brevet FR3032240A1 — publié le 20160805

DP-321676 VANNE DE COMMANDE POUR INJECTEUR DE CARBURANT Domaine technique La présente invention concerne généralement le domaine de l'injection de carburant dans les moteurs à combustion interne. L'invention concerne plus particulièrement une vanne de commande pour un injecteur de carburant, en particulier pour un système d'injection du type à rampe commune. Etat de la technique Comme on le sait, un injecteur de carburant comprend généralement un corps d'injecteur, une partie formant buse d'injection et une aiguille d'injecteur montée mobile. La buse d'injection comporte au moins un orifice de pulvérisation pour l'injection de carburant directement dans une chambre de combustion du moteur, l'ouverture et la fermeture de cet/ces orifice(s) étant contrôlées par le mouvement de l'aiguille. L'actionnement de l'aiguille se fait de manière sélective au moyen d'une chambre de commande associée à une vanne de commande, elle-même opérée par un actionneur, typiquement à solénoïde. La chambre de commande est alimentée en carburant haute pression, ce qui permet d'exercer (de manière directe ou indirecte) une force de fermeture sur l'aiguille. Un canal relie la chambre de commande à la vanne de commande, qui permet, dans la position d'ouverture, de mettre en communication la chambre de commande avec une section basse pression afin de faire chuter la pression dans la chambre de commande, et ainsi provoquer le déplacement de l'aiguille pour ouvrir l'injecteur. Une vanne de commande comprend de manière générale un organe d'obturation qui coopère avec un siège agencé dans un passage de carburant raccordant la haute pression à la basse pression. Dans le système à rampe commune, les pressions de carburant sont très élevées (au-delà de 2000 bars) et les injecteurs sont donc soumis à des pressions hydrauliques importantes qui occasionnent des contraintes et déformations des pièces. Au niveau de la vanne de commande, les forces de pression tendent à déformer le passage de carburant avec le siège ainsi que l'organe d'obturation. Pour palier ce problème, le EP 2 620 632 Al décrit un injecteur de carburant dont la vanne de commande comprend une chambre de compensation. Un insert cylindrique est monté dans un alésage du corps de vanne et comprend un passage central pour le carburant muni d'un siège d'étanchéité. L'organe d'obturation a une forme de tige axialement mobile dans le passage central de l'insert, l'organe étant manipulé par un actionneur à solénoïde ou piézo-électrique connecté à une première extrémité axiale de l'organe d'obturation, la deuxième extrémité opposée servant de guide dans l'insert. L'organe d'obturation présente, du côté de la première extrémité, un siège qui coopère avec le siège d'étanchéité dans le passage central pour ouvrir et fermer la vanne. Lorsque l'organe d'obturation est écarté du siège, le carburant peut s'écouler et débouche de l'insert du côté de la première extrémité de l'organe d'obturation. La chambre de compensation entoure l'insert et est en communication avec la chambre de commande, alors que le carburant sous pression pénètre dans l'insert par un orifice latéral dans celui-ci. Le design de la vanne de commande tel que décrit dans EP 2 620 632 Al est avantageux en ce qu'il permet un équilibrage des pressions au niveau des organes fonctionnels de la vanne. En pratique, il a toutefois été observé que dans certaines conditions, lors de l'ouverture du siège de la vanne de commande, la fuite dynamique par le siège (importante) vient perturber la dynamique de la vanne de commande, par exemple par un effort de jet contre l'armature mobile du solénoïde, qui est fixée à l'organe d'obturation à proximité du siège. C'est ainsi que des perturbations prennent naissance sous et autour de l'armature, engendrant des oscillations de pression influençant les mouvements de l'organe d'obturation. Objet de l'invention L'objet de la présente invention est de fournir une vanne de commande de conception améliorée, ne comportant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Description générale de l'invention Avec cet objectif en tête, la présente invention propose une vanne de commande pour une chambre de commande d'un injecteur de carburant pour un moteur à combustion interne. La vanne comprend un corps muni d'un alésage dans lequel débouche un canal d'amenée de carburant (en communication avec la chambre de commande). Dans l'alésage du corps est placée une chemise de forme générale cylindrique qui comprend un passage axial dont une section définit un passage interne de carburant. Un orifice latéral est prévu dans la paroi de la chemise, par lequel le carburant pénètre dans le passage interne de carburant. Un siège d'étanchéité est prévu dans le passage. Une tige d'obturation coulisse axialement dans la chemise et est configurée pour, dans une position de fermeture, reposer sur le siège d'étanchéité et obturer le passage, et dans une position d'ouverture, écartée du siège d'étanchéité, permettre l'écoulement de carburant. La tige d'obturation comprend une extrémité d'actionnement pour connexion à un dispositif d'actionnement hors de la chemise. La vanne de commande comprend en outre une chambre de compensation annulaire entourant la chemise, définie entre une paroi externe de la chemise et l'alésage. Le canal d'amenée et l'orifice latéral de la chemise débouchent chacun dans la chambre de compensation, le passage interne de carburant pouvant être ainsi en communication avec le carburant haute pression dans la chambre de contrôle de l'injecteur. On appréciera que le passage interne de carburant a un orifice de sortie situé, en aval du siège d'étanchéité, dans la partie de chemise opposée à l'extrémité d'actionnement de la tige d'obturation. Ainsi, la sortie de carburant se fait du côté de la chemise opposé à celui par lequel la tige est connectée à l'actionneur, évitant ainsi les jets haute-pression en direction de l'actionneur lorsque la vanne est ouverte, et les perturbations dynamiques qui en découlent. La présente invention propose donc une vanne de commande de conception améliorée, incorporant une chambre de compensation de pression permettant de compenser les jeux de pression, et présentant un comportement dynamique amélioré puisque le côté d'actionnement n'est pas perturbé par les jets de carburant lorsque la vanne est ouverte. Un autre avantage de l'invention est la simplicité de mise en oeuvre. Selon une variante préférée, l'orifice de sortie du passage interne est situé dans la partie d'extrémité du passage axial de chemise opposée à l'extrémité située du côté d'actionnement. La tige d'obturation peut comprendre par exemple une partie formant organe d'obturation coopérant avec le siège d'étanchéité dans le passage et une partie de guidage se terminant par l'extrémité d'actionnement, axialement opposée à la partie formant organe d'obturation. La partie formant organe d'obturation comprend au niveau de l'extrémité libre de la tige, opposée à l'extrémité d'actionnement, une surface d'appui annulaire qui coopère avec le siège d'étanchéité du passage. L'étanchéité entre le siège de la chemise et la surface d'appui de la tige est généralement du type métal/métal. Différentes formes sont envisageables pour réaliser l'étanchéité entre le siège et la surface d'appui : par exemple surfaces coniques ou plan/plan, interface ligne/surface conique etc.. Le contact de siège peut également être déporté par rapport au guide. De préférence, le passage axial dans la chemise comprend : une section de guidage configurée pour assurer un coulissement par ajustement glissant de la partie de guidage de la tige d'obturation ; et une section de vanne entourant la partie formant organe d'obturation de la tige d'obturation, dans laquelle débouche l'orifice latéral et comprenant le siège d'étanchéité. Afin de former une chambre de vanne, la section de vanne peut avoir un diamètre supérieur au diamètre de la section de guidage. Alternativement ou cumulativement, la partie formant organe d'obturation de la tige pourrait avoir une section réduite. La chemise est préférablement emmanchée dans l'alésage et comprend avantageusement deux paliers annulaires s'appuyant sur la paroi de l'alésage. Les paliers délimitent axialement la chambre de compensation ; l'étanchéité peut être obtenue par le contact de surface entre le palier et l'alésage, mais on peut également utiliser des joints annulaires. Alternativement, les paliers pourraient se situer sur la chemise. Un des paliers est avantageusement situé à hauteur du siège d'étanchéité du passage interne de carburant, ce qui améliore la tenue aux contraintes mécaniques et la robustesse au niveau du siège. En pratique, la vanne de commande contrôle la communication avec une section basse pression de l'injecteur. La sortie du passage interne débouche donc généralement dans une chambre ou une section en communication avec un canal basse pression intermédiaire, lui-même en communication avec un canal de retour basse pression. Selon une variante, il existe un jeu opérationnel entre la partie de guidage de la tige d'obturation et la section de guidage de la chemise autorisant un débit de fuite de carburant et le débit de fuite s'écoule dans une chambre auxiliaire dans la continuité axiale de l'alésage, du côté actionnement (la chambre auxiliaire étant également en communication avec le canal de retour basse pression). Les chemins de retour de carburant issus de la fuite guide et de la fuite siège sont de préférence isolés. A cet effet, on prévoit avantageusement un orifice de section contrôlée entre le canal de retour basse pression et la chambre auxiliaire, de sorte à éviter le flux de carburant issu de la chambre (donc de la fuite de siège) vers la chambre auxiliaire. Selon un autre aspect, la présente invention concerne également un injecteur comprenant une buse d'injection alimentée en carburant haute-pression et une chambre de contrôle, dont la pression permet de contrôler le déplacement d'une aiguille, et une vanne de commande telle que définie ci-dessus, qui, sélectivement au moyen d'un actionneur, ouvre ou ferme la communication entre la chambre de contrôle et un coté basse pression. Description détaillée à l'aide des figures D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée de quelques modes de réalisation avantageux présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant aux dessins annexés. Ceux-ci montrent : Fig. 1 : une vue en coupe longitudinale d'un injecteur équipé avec la présente vanne de commande, selon une première variante ; Fig. 2: une vue de détail de la vanne de commande présentée en Fig. 1; Fig. 3: une vue en coupe de la vanne de commande de la Fig.2, le plan de coupe étant décalé angulairement par rapport à celui de la Fig.2, mais passant également par l'axe de la tige d'obturation. Un injecteur de carburant 10 pour système d'injection à rampe commune, équipé d'une variante de la présente vanne de commande, sera maintenant décrit en se référant aux figures 1 à 3. Le principe de fonctionnement général d'un tel injecteur 10 est classique, similaire à celui de l'injecteur de l'état de la technique antérieur mentionné dans l'introduction. L'injecteur 10 comprend généralement un corps d'injecteur avec, en partie inférieure sur la Fig.1, une section de buse d'injection 14 accueillant une aiguille d'injecteur 16 montée mobile dans la buse 14 de sorte à coulisser axialement. La buse 14 a une extrémité d'injection 18 avec au moins un orifice d'injection 20, l'injecteur 10 étant monté dans le moteur de sorte que l'extrémité d'injection 18 dépasse dans la chambre de combustion (non montrée), permettant l'injection de carburant à haute pression sous la forme d'un spray. Dans l'injecteur 10, le carburant circule dans un canal haute-pression 22 et s'accumule dans le corps d'injecteur, autour de l'aiguille 14. Dans la Figure 1, l'injecteur est en position fermée : l'extrémité avant 23 de l'aiguille repose sur un siège dans l'extrémité d'injection 18 de la buse 14 et empêche le passage de carburant vers les orifices d'injection 20. L'actionnement de l'aiguille 16 se fait de manière sélective au moyen d'une chambre de commande 24 associée à une vanne de commande 26, elle-même opérée par un actionneur 28, typiquement à solénoïde, ce qui permet ainsi de commander l'ouverture et la fermeture du/des orifice(s) d'injection 20. L'actionneur à solénoïde comprend, de manière connue en soi, une partie fixe 281 avec un bobinage qui coopère avec une partie mobile 282 dite aussi « armature » dont le déplacement est engendré par le champ magnétique crée par le bobinage 281 lorsqu'il est alimenté en courant. Un tel actionneur est bien connu dans l'état de la technique et ne nécessite pas davantage d'explications. La chambre de commande 24 reçoit l'extrémité arrière 17 de l'aiguille 16 (opposée à l'extrémité avant 23) et est alimentée en carburant haute pression via un orifice d'entrée 19, ce qui permet d'exercer (ici de manière directe) une force de fermeture sur l'aiguille 16. Un ressort 29 est agencé dans la chambre 24 pour exercer en permanence sur l'aiguille 16 une force dans la direction de fermeture. Un orifice de sortie 30 relie, via un canal d'alimentation 32, la chambre de commande 24 à la vanne de commande 26, ce qui permet, dans la position d'ouverture de la vanne 26, de mettre en communication fluidique la chambre de commande 24 avec une section basse pression, afin de faire chuter la pression dans la chambre de commande 24, et ainsi provoquer le déplacement de l'aiguille 14 qui recule dans la chambre 24 et se dégage de son siège, laissant passer le carburant vers les orifices d'injection. La vanne de commande 26 est illustrée plus en détails sur la Figure 2. Elle comprend un corps 34 avec un alésage 36 (non traversant) formant un logement cylindrique. Le signe de référence 38 désigne une chemise constituée par un insert cylindrique fixé dans l'alésage 36, de préférence par emmanchement. La chemise 38 a un passage axial central 40, dans lequel coulisse axialement une tige d'obturation 42. Le passage central 40 définit, sur une partie de sa longueur, un passage de carburant 44 qui s'étend entre un orifice d'entrée 46 (ou perçage) latéral dans la paroi de la chemise 38 et un orifice de sortie 48. Un siège d'étanchéité 50 est prévu dans le passage de carburant 44, avec lequel coopère la tige d'obturation 42 qui est raccordée à l'actionneur 28. En fait, la tige d'obturation 42 comprend une partie formant organe d'obturation 45 et une partie de guidage 47 se terminant par l'extrémité d'actionnement 49, hors de la chemise 38, par laquelle elle est connectée à l'armature 282 de l'actionneur. Dans la variante, l'extrémité de raccordement 48 et l'armature 282 se trouvent dans une chambre auxiliaire 51 du corps de vanne 34, dans laquelle peut se déplacer l'armature avec l'organe d'obturation. Une chambre de compensation annulaire 52 est définie entre une portion 54 de la paroi périphérique externe de la chemise et l'alésage 36, de sorte qu'elle entoure la chemise 38. En pratique, on prévoit de préférence un évidemment annulaire sur une section de l'alésage pour donner du volume à la chambre de compensation. On notera que le canal d'amenée 32 débouche dans la chambre de compensation 52, ainsi que l'orifice latéral 46 de la chemise, ce qui met le passage interne de carburant 44 en communication avec la chambre de commande 24. On appréciera que le siège d'étanchéité 50 du passage de carburant ainsi que la sortie 48 sont situés dans une portion de la chemise 38 éloignée de la région d'actionnement de la tige d'obturation 42. Par rapport à l'orientation de la figure 1, la chemise 38 a une partie supérieure tournée vers l'actionneur 28 et par laquelle la tige d'obturation 42 est raccordée à celui-ci, ainsi qu'une partie inférieure, qui porte le siège 50 et la sortie 48. Ainsi, en position d'ouverture de la tige d'obturation 42 (écartée du siège 50), il existe un espace entre la tige d'ouverture 42 et le siège 50 par lequel le carburant s'écoule depuis le passage de carburant vers le bas (aussi appelé fuite dynamique ou de contrôle) dans une chambre de fuite 60 en communication avec un canal 62 relié à la basse pression. Grâce à cette configuration, on évite la sortie de carburant par la partie supérieure de la chemise 38, et donc les effets de jet en direction de l'armature 282 de l'actionneur. Ceci confère une plus grande stabilité 30 dynamique à la vanne. Certaines dispositions constructives de la présente variante peuvent être notées. La chemise 38 comprend une section de guidage 64 configurée pour assurer un coulissement par ajustement glissant de la partie de guidage 47 de la tige d'obturation 42. Les diamètres sont de préférence ajustés pour un jeu opérationnel qui autorise une faible fuite fonctionnelle de carburant, laquelle s'échappe de la chemise 38 du côté d'actionnement, dans la chambre auxiliaire 51. La chemise 38 comprend également une section de vanne 66 définissant le passage interne de carburant et entourant la partie formant organe d'obturation 45 de la tige d'obturation 42, dans laquelle débouche l'orifice latéral 46 et comprenant le siège d'étanchéité 50. La section de vanne 66 a un diamètre supérieur au diamètre de la section de guidage 64, formant une chambre 68. Le siège d'étanchéité 50 se trouve, vu dans le sens d'écoulement du carburant, à la sortie de la chambre de vanne 68. En fait, le siège d'étanchéité 50 est réalisé en tant que surface annulaire prévue sur une saillie annulaire 70 dans le passage central 40, cette saillie 70 venant réduire la section du passage à proximité de l'extrémité inférieure de la chemise 38 (donc opposée à l'extrémité d'actionnement). La présente configuration permet d'offrir un siège d'étanchéité 20 massif et robuste, notamment grâce au sens d'écoulement et au fait que l'arête entre la surface d'étanchéité du contact siège et le diamètre d'évacuation 48 peut être éloigné du siège, sans modifier l'équilibre de la valve. La partie formant organe d'obturation 45 de la tige d'obturation 42 25 porte à son extrémité libre un chanfrein 72 faisant office de surface d'appui coopérant avec le siège 50. Dans la position de fermeture, une ligne ou anneau de la surface d'appui est en contact avec le siège 50 pour former l'étanchéité de la vanne. L'étanchéité est en général du type métal/métal ; il peut exister un déport au niveau du siège. L'orifice de 30 sortie 48 du passage de carburant, respectivement de la chemise 38, coïncide avec la section de passage rétrécie formée par la saillie 70. Comme on l'aura compris, dans la figure 1 la vanne de commande 26 est fermée : l'organe d'obturation 42 repose sur le siège 50. En alimentant le bobinage de l'actionneur 28 on crée un champ magnétique qui attire l'armature (ici vers le haut) et dégage la tige d'obturation 42 de sa position de repos. Il se crée alors un passage annulaire entre le siège 50 et la surface d'étanchéité 72 qui permet une fuite de siège : la vanne est ouverte et le carburant s'écoule vers la basse pression. De préférence, le montage de l'insert cylindrique formant la chemise 38 se fait par emmanchement et de manière étanche. A cet effet on a prévu deux zones de paliers 90 formées sur la surface extérieure de la chemise 38, bien que cela ne soit pas impératif. Ces deux paliers 90 ferment également de manière étanche la chambre de compensation à ses deux extrémités axiales. Des joints d'étanchéité peuvent aussi être employés. On appréciera qu'un des paliers 90 est positionné à la hauteur du siège d'étanchéité 50 du passage interne de carburant, ce qui améliore encore la tenue aux contraintes mécaniques et la robustesse au niveau du siège. La figure 3 est une vue de la vanne 26 dans un plan de coupe différent de celui de la figure 2 qui montre mieux le cheminement du retour de carburant. Comme expliqué ci-avant, il existe deux sources 20 d'écoulement de la vanne 26: - fuite de siège : écoulement principal de carburant à travers la vanne, existe uniquement en position d'ouverture de la tige d'obturation. Le carburant traverse le passage de carburant 66 et s'écoule par la sortie 48 dans la chambre 60. 25 - fuite guide : faible écoulement de carburant au niveau du jeu opérationnel entre la portion de guidage 47 de la tige d'obturation 42 et la section de guidage 64 de la chemise 38. Dans la présente variante, il existe un jeu annulaire entre le corps de vanne 34 (de forme générale cylindrique, et l'enveloppe extérieure 81 30 de l'injecteur. Ce jeu annulaire forme une chambre de collecte 76 annulaire en communication avec un canal de retour basse pression 78. La chambre de fuite 60 est en communication avec la chambre de collecte 76 via le canal 62. La chambre auxiliaire 51 (accueillant l'armature 282) est également en communication avec la chambre de collecte 76 via un canal radial 80 (ou plusieurs). Le diamètre du canal 80 est déterminé de sorte à éviter que le flux de carburant en provenance de la fuite siège ne puisse passer de la chambre annulaire 76 en direction de la chambre 51. Ainsi, les circuits de retour de la fuite siège et de la fuite guide (représentés respectivement par les lignes 82 et 84) sont isolés dans le corps de vanne 34, et ne se combinent qu'au niveau de l'entrée du canal de retour 78. REVENDICATIONS1. Vanne de commande pour une chambre de commande d'un injecteur de carburant pour moteur à combustion interne, ladite vanne de 5 commande comprenant : un corps (34) muni d'un alésage (36) dans lequel débouche un canal (32) d'amenée de carburant ; une chemise (38) de forme générale cylindrique insérée dans l'alésage (36) et comprenant un passage axial (40) dont une section 10 définit un passage interne de carburant (44), dans lequel le carburant pénètre par un orifice latéral (46), un siège d'étanchéité (50) étant prévu dans le passage (44) ; une tige d'obturation (42) coulissant axialement dans la chemise (38) et configurée pour, dans une position de fermeture, reposer sur le 15 siège d'étanchéité (50) et obturer le passage, et dans une position d'ouverture, écartée du siège d'étanchéité (50), permettre l'écoulement de carburant, la tige d'obturation (42) comprenant une extrémité d'actionnement (48) pour connexion à un dispositif d'actionnement (28) hors de la chemise ; 20 une chambre de compensation annulaire (52) entourant la chemise (38), définie entre une paroi externe de la chemise (38) et l'alésage (36), le canal d'amenée (32) et l'orifice latéral (42) de la chemise débouchant chacun dans la chambre de compensation (52) ; caractérisé en ce que 25 le passage interne de carburant (44) a un orifice de sortie (48) situé en aval du siège d'étanchéité (50) dans la partie de chemise opposée à l'extrémité d'actionnement (48) de la tige d'obturation (42). 2. Vanne de commande selon la revendication 1, dans laquelle 30 l'orifice de sortie (48) du passage interne (44) est situé dans la partie d'extrémité du passage axial (40) de chemise opposée à l'extrémité située du côté actionnement. 3. Vanne de commande selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la tige d'obturation (42) comprend une partie formant organe d'obturation (45) coopérant avec le siège d'étanchéité (50) dans le passage (44) et une partie de guidage (47) se terminant par l'extrémité d'actionnement (48), axialement opposée à la partie formant organe d'obturation (45). 4. Vanne de commande selon la revendication 3, dans laquelle le passage axial (40) dans la chemise (38) comprend : une section de guidage (64) configurée pour assurer un coulissement par ajustement glissant de la partie de guidage (47) de la tige d'obturation ; et une section de vanne (66) entourant la partie formant organe d'obturation (45) de la tige d'obturation, dans laquelle débouche l'orifice latéral (46) et comprenant le siège d'étanchéité (50). 5. Vanne de commande selon la revendication 4, dans laquelle la section de vanne (66) a un diamètre supérieur au diamètre de la section de guidage (64). 6. Vanne de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la chemise (38) est emmanchée dans l'alésage (36) et comprend de préférence deux paliers (90) annulaires s'appuyant sur la paroi de l'alésage. 7. Vanne selon la revendication 6 dans laquelle un des paliers est situé à la hauteur du siège d'étanchéité du passage interne de carburant. 8. Vanne de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle il existe un jeu opérationnel entre la partie de guidage de la tige d'obturation et la section de guidage de la chemise autorisant un débit de fuite de carburant ; etle débit de fuite s'écoule dans une chambre auxiliaire dans la continuité axiale de l'alésage, du côté actionnement. 9. Vanne de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'orifice de sortie (48) du passage interne (44) débouche dans une chambre (60) en communication avec un canal basse pression intermédiaire (62). 10. Vanne de commande selon la revendication 9 dépendant de la revendication 8, dans laquelle le canal basse pression intermédiaire (62) et la chambre auxiliaire (51) sont en communication fluide avec un canal de retour basse pression (78), un orifice contrôlé (80) étant avantageusement prévu entre le canal de retour basse pression et la chambre auxiliaire pour éviter le flux de carburant issu de la chambre (60) vers la chambre auxiliaire (51). 11. Injecteur comprenant une buse d'injection alimentée en carburant et une chambre de contrôle, dont la pression permet de contrôler le déplacement d'une aiguille, et une vanne de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui, sélectivement au moyen d'un actionneur, ouvre ou ferme la communication entre la chambre de contrôle et un coté basse pression.25