EP1217202A1 - Procédé d'amortissement des ondes de pression dans une ligne hydraulique, et dispositif d'injection à rampe commune mettant en oeuvre ce procédé - Google Patents
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- EP1217202A1 EP1217202A1 EP01403248A EP01403248A EP1217202A1 EP 1217202 A1 EP1217202 A1 EP 1217202A1 EP 01403248 A EP01403248 A EP 01403248A EP 01403248 A EP01403248 A EP 01403248A EP 1217202 A1 EP1217202 A1 EP 1217202A1
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- F02M55/02—Conduits between injection pumps and injectors, e.g. conduits between pump and common-rail or conduits between common-rail and injectors
- F02M55/025—Common rails
Definitions
- the present invention relates to a depreciation method pressure waves in a hydraulic line, using a restriction creating dissipation in the line, as well as a device common rail injection for motor vehicle engine, implementing this process.
- the flow of fuel injected is a function of the duration of piloting of the injector and of the pressure in the high pressure hydraulic circuit.
- a mapping installed in the calculator allows you to calculate the driving time of the injector on the basis of the requested flow (acceleration sensor) and the applied pressure (pressure sensor on rail).
- Another solution is a time correction activation of injectors during injection n ° 2 using an algorithm estimating the variations in the quantity injected, due to injection n ° 1.
- the second mapping does not can be established that once the parameters of injection no.1 have been set (the pressure disturbance is a function of these parameters).
- This solution is therefore by construction inactive during the development phase.
- the only parameter that is taken into account is the presence or not of a first injection, but in no way other parameters influencing the injection, such as the amount of the first injection, the gap time between the two consecutive injections, etc.
- this solution can only be used for a maximum of two consecutive injections.
- Solutions of the second type are very difficult to implement. point, given the large number of parameters to take into account account to write the correction algorithm (geometric dimensions of the fuel system, injection pressure, temperature, quantity injected during the first injection, quantity injected during the second injection, time interval between the two injections, etc.). Moreover, these solutions are very sensitive to industrial dispersions of manufacturing.
- the present invention aims to provide a solution to these interaction problems between consecutive injections, to cushion pressure waves generated by injection no.1 completely before starting injection number 2, without penalizing the injection pressure of the system.
- the invention relates to a method for damping pressure waves in a hydraulic line, by use of a restriction with a more favorable characteristic than that of a restriction constituted by a calibrated nozzle.
- a dissipator using a restriction operating in thin-film flow flow viscous, governed for example by Naviers-Stockes equations.
- Such a dissipator is obtained by forcing the passage of the fluid between two opposite walls very close to each other compared to the length of flow.
- a restriction having a height is therefore used very weak not only in relation to the length but also by in relation to the flow width.
- Another aspect of the invention relates to positioning optimal of a dissipator in a hydraulic line, in this case in a common rail injection device for a vehicle engine automobile, comprising for each cylinder an injector connected by a feed tube to a common rail.
- This device includes, in each feed tube, at the end of the ramp, a restriction operating in thin-film flow.
- a calibrated nozzle whose installation, in a line hydraulic, is the easiest way to dampen the waves of pressure, in order to create dissipation (pressure drop) in the line, has a parabolic characteristic of pressure drop depending on the debit, according to formula (1) above (see Figure 1).
- the thin layer condition relates the height h of the flow to the length 1 of the flow according to formula (2) above.
- Figure 3 shows, for comparison, the characteristic parabolic pressure drop of a calibrated nozzle, in dashes, and the linear characteristic of pressure drop of a working restriction in thin-film flow, in solid lines.
- pressure waves in a hydraulic line are accompanied by flow waves whose amplitudes are maximum in hydraulic line inlet (line flow belly).
- FIG 4 there is shown schematically a complete hydraulic injection line with supply tube 1 high pressure ranging from a common rail 2 to an injector 3 comprising a rod filter 4.
- FIG. 6 illustrates the effectiveness of the solution according to FIG. 4, showing that the damping of pressure variations at the inlet of the injector is much faster with the dissipator operating in thin-film flow at the outlet of common rail 2 (curve in dashes) than without sink (curve in solid line).
- the solution according to the invention limits the amplitude of the waves of pressure, which increases the reliability of the fuel system.
- the pressure in the high pressure circuit is more stable, which facilitates its regulation.
- the rod filter 4 generally present at the input of diesel injectors, has a layer pressure drop characteristic thin and can therefore be used not as a filter but as thin film heatsink. Its transfer from its current position to the inlet of the injector towards the outlet of the common rail, possibly accompanied by a lowering of its filtration threshold to increase the pressure drop, allows you to benefit practically without additional cost advantages of the dissipator, object of the present invention.
- Another solution is to use, in addition to the rod filter 4 in inlet of injector 3, a second rod filter at the outlet of the common rail, with a lowered filtration threshold.
- Figure 8 compares the different efficiencies of a hydraulic line, one (in solid line) without dissipator, and the other (in dashes) with heatsink and non-return valve, as shown in Figure 7.
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Abstract
Pour l'amortissement des ondes de pression dans une ligne hydraulique, on utilise dans la ligne une restriction fonctionnant en écoulement à couche mince, avec une hauteur d'écoulement très faible par rapport à la longueur d'écoulement et par rapport à la largeur d'écoulement. Dans un dispositif d'injection à rampe commune pour moteur de véhicule automobile, comprenant pour chaque cylindre un injecteur 3 relié par un tube d'alimentation 1 à une rampe commune 2, une restriction 5 fonctionnant en écoulement à couche mince est disposée en sortie de rampe commune et peut comprendre en parallèle un clapet anti-retour 6 monté passant dans le sens rampe-injecteur. <IMAGE>
Description
La présente invention se rapporte à un procédé d'amortissement
des ondes de pression dans une ligne hydraulique, par utilisation d'une
restriction créant une dissipation dans la ligne, ainsi qu'un dispositif
d'injection à rampe commune pour moteur de véhicule automobile,
mettant en oeuvre ce procédé.
Dans les systèmes d'injection dits "common rail" ou "à rampe
commune" (diesel, essence ou tout autre carburant), chaque injection
engendre, dans le circuit de carburant haute pression, des ondes de
pression responsables d'interactions entre les injections. Ces interactions
se traduisent par une mauvaise maítrise de la quantité de carburant
introduite dans le cylindre, rendant ainsi très difficile la mise en point des
moteurs pendant les phases de développement, et engendrant des
évolutions de leur comportement pendant la durée de vie du moteur.
Ce problème est de plus en plus critique avec l'apparition des
injections multiples autorisées par les nouveaux systèmes d'injection,
consistant à découper une injection en plusieurs injections plus petites.
Dans les systèmes d'injection actuels à rampe commune, le débit
de carburant injecté est fonction de la durée de pilotage de l'injecteur et de
la pression dans le circuit hydraulique haute pression. Une cartographie
implantée dans le calculateur permet de calculer la durée de pilotage de
l'injecteur sur la base du débit demandé (capteur d'accélération) et de la
pression appliquée (capteur de pression sur rampe).
Actuellement, seules deux injections consécutives sont
possibles et, selon une première solution, l'interaction entre les deux
injections est corrigée par une deuxième cartographie qui modifie le
temps d'injection de l'injection n°2 pour maítriser la quantité de carburant
introduite lors de cette injection.
Une autre solution consiste en une correction du temps
d'activation des injecteurs lors de l'injection n°2 à l'aide d'un algorithme
estimant les variations de la quantité injectée, dues à l'injection n°1.
Pour les solutions du premier type, la deuxième cartographie ne
peut être établie qu'une fois figés les paramètres de l'injection n°1 (la
perturbation de pression est fonction de ces paramètres). Cette solution
est donc par construction inactive pendant la phase de mise au point. De
plus, le seul paramètre qui est pris en compte est la présence ou non d'une
première injection, mais en aucune manière d'autres paramètres
influençant l'injection, comme la quantité de la première injection, l'écart
temporel entre les deux injections consécutives, etc. Enfin, cette solution
ne peut être utilisée que pour deux injections consécutives au maximum.
Les solutions du deuxième type sont très difficiles à mettre au
point, compte tenu du nombre important de paramètres à prendre en
compte pour écrire l'algorithme de correction (dimensions géométriques
du circuit de carburant, pression d'injection, température, quantité
injectée lors de la première injection, quantité injectée lors de la deuxième
injection, intervalle de temps séparant les deux injections, etc.). De plus,
ces solutions sont très sensibles aux dispersions industrielles de
fabrication.
La présente invention vise à apporter une solution à ces
problèmes d'interaction entre des injections consécutives, pour amortir
complètement les ondes de pression générées par l'injection n°1 avant le
démarrage de l'injection n°2, cela sans pénaliser la pression d'injection du
système.
Il est connu que pour amortir les ondes de pression dans une ligne
hydraulique, il suffit de créer de la dissipation (perte de charge) dans la
ligne. Cependant, pour ne pas pénaliser la pression d'injection pendant
l'ouverture de l'injecteur, on cherche à minimiser les pertes de charge
globales.
Traditionnellement, pour accroítre les pertes de charges dans
une ligne hydraulique, on installe un ajutage calibré.
Malheureusement, ce type de dissipateur présente une
caractéristique parabolique par rapport au débit de fluide le traversant,
caractéristique répondant à la formule :
ΔP = ρ 2S2 eff D2
où ρ est la masse volumique du fluide, Seff la section efficace de l'ajutage
et D le débit le traversant.
L'efficacité d'un tel dissipateur est réduite lorsque le débit
traversant le dissipateur est faible, donc quand les ondes commencent à
s'amortir.
Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un procédé
d'amortissement des ondes de pression dans une ligne hydraulique, par
utilisation d'une restriction ayant une caractéristique plus favorable que
celle d'une restriction constituée par un ajutage calibré. Suivant le
procédé conforme à l'invention, on utilise un dissipateur constitué par une
restriction fonctionnant en écoulement à couche mince (écoulement
visqueux, régi par exemple par les équations de Naviers-Stockes.
Un tel dissipateur est obtenu en forçant le passage du fluide entre
deux parois opposées très proches l'une de l'autre en comparaison à la
longueur de l'écoulement.
En effet, la condition de couche mince relie la hauteur h de
l'écoulement à sa longueur l, de la manière suivante :
ε =h l << 1 et εRe < 1
où Re est le nombre de Reynolds de l'écoulement Re = Ul / ν
U désignant la vitesse caractéristique de l'écoulement, l la longueur de l'écoulement et ν la viscosité cinématique du fluide.
U désignant la vitesse caractéristique de l'écoulement, l la longueur de l'écoulement et ν la viscosité cinématique du fluide.
Pour une largeur d'écoulement L de la restriction, la perte de
charge de ce dissipateur sera :
ΔP = 12 ρνl Lh3 D
L'intérêt particulier d'un tel dissipateur réside dans sa
caractéristique linéaire de perte de charge, ce qui fait que pour une même
perte de charge pendant l'injection (avec un débit égal à Dinj), on a,
comparativement à un dissipateur se présentant sous la forme d'un ajutage
calibré, plus de perte de charge quand les ondes commencent à s'amortir,
et donc quand le débit traversant le dissipateur diminue, d'où une plus
grande efficacité.
De préférence, on utilise donc une restriction ayant une hauteur
très faible non seulement par rapport à la longueur, mais également par
rapport à la largeur d'écoulement.
Un autre aspect de l'invention concerne le positionnement
optimal d'un dissipateur dans une ligne hydraulique, en l'occurence dans
un dispositif d'injection à rampe commune pour moteur de véhicule
automobile, comprenant pour chaque cylindre un injecteur relié par un
tube d'alimentation à une rampe commune. Ce dispositif comprend, dans
chaque tube d'alimentation, en sortie de rampe, une restriction
fonctionnant en écoulement à couche mince.
Ce positionnement de la restriction est basé sur la constatation
que dans une ligne hydraulique, les ondes de pression s'accompagnent
d'ondes de débit dont les amplitudes sont maximales en entrée de la ligne
hydraulique (ventre de débit de la ligne).
Le positionnement de la restriction fonctionnant en écoulement
à couche mince, en sortie de la rampe commune, là où la vitesse du fluide
est la plus forte, permet ainsi d'atténuer totalement les ondes de pression
après l'injection, en limitant la perte de charge et donc la perte de pression
d'injection.
En se référant aux dessins schématiques annexés, on va décrire
ci-après plus en détail plusieurs modes de réalisation de l'invention; sur
les dessins :
- la figure 1 représente la caractéristique de perte de charge d'un ajutage calibré en fonction du débit;
- la figure 2 est une vue en perspective d'une restriction fonctionnant en écoulement à couche mince;
- la figure 3 représente les caractéristiques de perte de charge d'un ajutage calibré et d'une restriction fonctionnant en écoulement à couche mince;
- la figure 4 représente une ligne hydraulique allant d'une rampe commune d'injection à un injecteur;
- la figure 5 représente les champs de pression et de débit sur la ligne de la figure 4;
- la figure 6 illustre de façon comparative l'efficacité d'amortissement d'une ligne hydraulique avec et sans dissipateur;
- la figure 7 représente une solution d'implantation d'un dissipateur avec clapet en parallèle; et
- la figure 8 illustre de façon comparative l'efficacité d'amortissement d'une ligne hydraulique sans dissipateur et d'une ligne avec dissipateur et clapet en parallèle, selon la figure 7.
Un ajutage calibré dont l'installation, dans une ligne
hydraulique, est le moyen le plus simple pour amortir les ondes de
pression, afin de créer de la dissipation (perte de charge) dans la ligne,
présente une caractéristique parabolique de perte de charge en fonction du
débit, selon la formule (1) ci-dessus (voir figure 1).
Suivant la présente invention, pour obtenir sur une telle ligne
hydraulique, une caractéristique linéaire de perte de charge par rapport au
débit de fluide, on utilise sur cette ligne une restriction fonctionnant en
écoulement à couche mince, selon la figure 2.
Une telle restriction est obtenue en forçant un fluide à passer
entre deux parois opposées très proches l'une de l'autre en comparaison de
la longueur d'écoulement.
La condition de couche mince relie la hauteur h de l'écoulement à
la longueur 1 de l'écoulement suivant la formule (2) ci-dessus.
Pour une largeur d'écoulement L, la perte de charge de cette
restriction répondra à la formule (3) ci-dessus.
La figure 3 montre, à titre de comparaison, la caractéristique
parabolique de perte de charge d'un ajutage calibré, en tirets, et la
caractéristique linéaire de perte de charge d'une restriction fonctionnant
en écoulement à couche mince, en traits pleins.
L'intérêt de la caractéristique linéaire de perte de charge d'un tel
dissipateur, est que pour une même perte de charge pendant l'injection, on
obtient (gain g) plus de perte de charge quand les ondes commencent à
s'amortir, et donc quand le débit traversant le dissipateur diminue, d'où
une plus grande efficacité.
Par ailleurs, les ondes de pression dans une ligne hydraulique
s'accompagent d'ondes de débit dont les amplitudes sont maximales en
entrée de la ligne hydraulique (ventre de débit de la ligne).
Sur la figure 4, on a représenté d'une manière schématique une
ligne hydraulique complète d'injection avec un tube d'alimentation 1
haute pression allant d'une rampe commune 2 à un injecteur 3 comportant
un filtre tige 4.
Sur la figure 5, on a représenté la répartition spatiale de la
pression (en tirets) et du débit (en traits pleins) le long de cette ligne.
Le positionnement d'un dissipateur 5 fonctionnant en
écoulement à couche mince en sortie de la rampe commune 2, là où la
vitesse du fluide est la plus forte, permet d'atténuer totalement les ondes
de pression après injection, en limitant la perte de charge et donc la perte
de pression d'injection.
La figure 6 illustre l'efficacité de la solution selon la figure 4,
montrant que l'amortissement des variations de pression à l'entrée de
l'injecteur est nettement plus rapide avec le dissipateur fonctionnant en
écoulement à couche mince en sortie de rampe commune 2 (courbe en
tirets) que sans dissipateur (courbe en trait plein).
Les avantages d'une telle utilisation, sur une ligne d'injection à
rampe commune, d'un dissipateur fonctionnant en écoulement à couche
mince, positionné en sortie de rampe commune, sont multiples :
En maximisant l'efficacité du dissipateur par sa position
privilégiée sur le ventre de vitesse, on peut limiter sa perte de charge pour
mieux gérer le compromis atténuation des ondes de pression/perte de
pression d'injection. En effet, plus la perte de charge de la ligne
hydraulique est importante, plus la pression d'injection est faible.
L'efficacité de cette solution est indépendante des dimensions
géométriques du système, et des caractéristiques des injections (quantité
à injecter, nombre d'injections consécutives, pression de rampe
commune, etc.).
La solution suivant l'invention limite l'amplitude des ondes de
pression, ce qui accroít la fiabilité du circuit de carburant.
La pression dans le circuit haute pression est plus stable, ce qui
facilite sa régulation.
Il s'avère que le filtre tige 4 généralement présent en entrée des
injecteurs diesel, possède une caractéristique de perte de charge à couche
mince et peut donc être utilisé non plus comme filtre, mais comme
dissipateur à couche mince. Son transfert depuis sa position actuelle à
l'entrée de l'injecteur vers la sortie de la rampe commune, éventuellement
accompagné d'un abaissement de son seuil de filtration pour augmenter la
perte de charge, permet de bénéficier pratiquement sans surcoût des
avantages du dissipateur, objet de la présente invention.
Une autre solution consiste à utiliser, en plus du filtre tige 4 en
entrée de l'injecteur 3, un second filtre tige en sortie de rampe commune,
avec un seuil de filtration abaissé.
Enfin, comme illustré sur la figure 7, il est possible d'améliorer
l'efficacité du système en montant un clapet anti-retour 6 en parallèle avec
le dissipateur 5 en sortie de rampe commune 2, le clapet 6 étant monté
passant dans le sens rampe 2-injecteur 3. Cela permet à la rampe 2
d'alimenter librement l'injecteur 3 en carburant, sans aucune perte de
charge gênante pour l'injection, et de choisir un dissipateur 5 à perte de
charge accrue, ce dissipateur n'entrant en action que lorsque l'injection est
terminée.
La figure 8 permet de comparer les différentes efficacités d'une
ligne hydraulique, l'une (en trait plein) sans dissipateur, et l'autre (en
tirets) avec dissipateur et clapet anti-retour, selon la figure 7.
Claims (6)
- Procédé d'amortissement des ondes de pression dans une ligne hydraulique, par utilisation d'une restriction créant une dissipation dans la ligne, caractérisé par le fait qu'on utilise une restriction fonctionnant en écoulement à couche mince.
- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise une restriction avec une hauteur d'écoulement très faible par rapport à la longueur d'écoulement.
- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on utilise une restriction ayant une hauteur d'écoulement très faible par rapport à la largeur d'écoulement.
- Dispositif d'injection à rampe commune pour moteur de véhicule automobile, comprenant pour chaque cylindre un injecteur relié par un tube d'alimentation à une rampe commune, caractérisé par le fait qu'il comprend, dans chaque tube d'alimentation (1), une restriction (5) fonctionnant en écoulement à couche mince.
- Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la restriction (5) est disposée en sortie de rampe commune.
- Dispositif suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un clapet anti-retour (6) monté en parallèle avec la restriction (5) en étant passant dans le sens rampe-injecteur.
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