Domaine de l'invention
La présente invention se rapporte à un
procédé de traitement des ondes de pression dans une
ligne hydraulique, ainsi qu'un dispositif d'injection à
rampe commune pour moteur de véhicule automobile,
mettant en oeuvre ce procédé.
Art antérieur et problème posé
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 successives. Ces interactions se traduisent
par une mauvaise maítrise de la quantité de carburant
introduite dans les cylindres, 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'injection sur la
base du débit demandé (capteur d'accélération) et de la
pression appliquée (capteur de pression sur rampe).
Actuellement, différentes solutions existent
ou sont envisagées pour résoudre les problèmes
d'interactions entre les injections.
L'interaction entre deux injections
consécutives N et N + 1 pour maítriser la quantité de
carburant introduite lors de cette injection, en
prenant en compte l'effet de l'injection N.
Cependant, la deuxième cartographie ne peut
être remplie qu'une fois figés les paramètres de
l'injection N (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 injection
précédente, mais en aucune manière d'autres paramètres
influençant l'injection (comme la quantité de
l'injection N, l'écart temporel entre les injections N
et N + 1, la présence d'une ou de plusieurs injections
précédent l'injection N, etc.).
Enfin, elle ne peut que très difficilement
être utilisée pour plus de deux injections
consécutives.
Une autre solution consiste en une correction
du temps d'activation des injecteurs, lors de la
(N + 1) ième injection, à l'aide d'un algorithme
estimant les variations de quantité injectée dues aux N
injections précédentes.
Cependant, les solutions de ce 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 carburant, pression d'injection, température,
quantités injectées lors des injections précédentes (1
à N), quantité injectée lors de la (N + 1) ième
injection, intervalles de temps séparant les injections
1 à N + 1, nombre d'injections, etc.). De plus, elles
sont très sensibles aux dispersions industrielles de
fabrication.
L'insertion d'un ou de plusieurs dispositifs
dont le but est de créer des pertes de charge sur la
ligne hydraulique d'alimentation des injecteurs peut
être utilisée, afin de réduire les fluctuations de
pression consécutives à une injection (amortissement
des ondes de pression par les pertes de charge). Par
nature, cette solution a l'inconvénient de créer des
pertes de charge supplémentaires sur la ligne
d'alimentation des injecteurs, qui sont néfastes aux
performances du moteur (perte de pression d'injection
effective, diminution des quantités maximales injectées
sur le point de puissance, etc.).
La présente invention se propose donc de
limiter les problèmes d'interactions entre les
injections, tout en évitant les problèmes et
inconvénients susmentionnés.
Résumé de l'invention
A cet effet, un premier objet de l'invention
est un procédé de traitement des interactions entre les
injections successives dans un système d'injection à
rampe commune.
Selon l'invention, on diminue la fréquence de
l'onde de pression en allongeant la longueur du conduit
d'alimentation reliant la rampe à chacun des
injecteurs.
La mise en oeuvre privilégiée d'un tel procédé
prévoit que le conduit d'alimentation est mis en
spirale.
Un deuxième objet principal de l'invention
est un système d'injection à rampe commune pour un
moteur de véhicule automobile comprenant une rampe et,
pour chaque cylindre du moteur, un injecteur et un
conduit d'alimentation reliant la rampe à l'injecteur.
Selon l'invention, le conduit d'alimentation
a une longueur suffisamment rallongée pour diminuer la
fréquence de l'onde de pression de la ligne hydraulique
constituée par le conduit d'alimentation.
Deux localisations des conduits
d'alimentation sont envisagées. En effet, une première
consiste à installer les conduits d'alimentation en
grande partie dans la rampe, tandis qu'une deuxième
prévoit de les installer en dehors de la rampe.
La forme préférentielle des conduits
d'alimentation est la spirale. Ceci permet de gagner
beaucoup d'emplacement tout en rallongeant la longueur
de ces conduits d'alimentation.
Dans ce cas, une première réalisation
préférentielle consiste à réaliser la spirale en
effectuant l'équivalent d'un filetage sur un barreau
recouvert d'un premier tube externe par ajustement
serré.
Une autre réalisation intéressante consiste à
réaliser un autre filetage sur le premier tube externe
qui est lui-même recouvert d'un autre deuxième tube
externe.
Enfin, une troisième réalisation consiste à
effectuer un taraudage à l'intérieur d'un tube dans
lequel on enfonce un barreau par ajustement serré.
Une variante du système selon l'invention
consiste à rajouter, après chaque conduit
d'alimentation, un volume additionnel permettant ainsi
d'atténuer un certain effet de vidange.
Liste des figures
L'invention et ces différentes
caractéristiques techniques seront mieux comprises à la
lecture de la description suivante, accompagnée de
quelques figures représentant respectivement :
- figure 1, un graphe représentant
l'évolution de la pression dans un injecteur ;
- figure 2, en vue cavalière écorchée, une
première réalisation de la partie importante du
dispositif d'injection selon l'invention ;
- figure 3, en vue cavalière écorchée, une
deuxième réalisation de la partie importante du
dispositif selon l'invention ;
- figure 4, en vue cavalière écorchée, une
troisième réalisation de la même partie importante du
dispositif selon l'invention.
- figure 5, un schéma du système de la
première réalisation du dispositif selon l'invention ;
- figure 6, un schéma de la deuxième
réalisation du dispositif selon l'invention ;
- figure 7, un schéma de la troisième
réalisation du dispositif selon l'invention.
Description détaillée de plusieurs
réalisations de l'invention
La figure 1 montre deux courbes. La première
en trait plutôt fin représente les variations de
pression engendrées par une injection ayant lieu avec
un dispositif de l'art antérieur. On s'aperçoit que la
fréquence de la pression est importante et que des
variations de pression le sont tout autant.
La courbe en trait fort qui affecte la forme
d'une seule courbe en forme de dôme montre la variation
de pression dans le système d'injection selon
l'invention. On s'aperçoit que les variations de
pression sont beaucoup moins intenses et plus lentes,
la fréquence étant beaucoup plus faible.
En fait, la fréquence est définie de manière
à ce que le temps « phasage », c'est-à-dire le temps
séparant la fin d'une injection de rang N avec le début
de l'injection suivante de rang N+1 soit inférieur ou
égal à la demi-période des ondes de pression circulant
dans la ligne hydraulique reliant l'injecteur à la
rampe commune, et ceci dans tout le champ de
fonctionnement du moteur.
Exemple
Si le temps de phasage maximal entre deux
injections consécutives vaut x secondes, il faut que la
demi-période des ondes de pression circulant dans la
ligne hydraulique reliant l'injecteur à la rampe
commune soit supérieure ou égale à x secondes. En fait,
il faut que la fréquence de la ligne hydraulique soit
inférieure ou égale à 1/(2.x) hertz, soit :
f ≤ 1/(2.x),
f étant la fréquence en hertz des ondes de
pression.
De plus, si on assimile à un tube l'ensemble
de la ligne hydraulique entre le nez de l'injecteur et
la rampe commune, la fréquence du premier mode de
l'onde de pression de cette ligne hydraulique peut être
évaluée de façon approximative par la formule
suivante :
f = c/(4.L),
c la vitesse du son dans le carburant en
mètre par seconde et L la longueur en mètre de la ligne
hydraulique équivalente entre le nez de l'injecteur et
la rampe commune.
Connaissant c, et f = 1/(2.x), on peut en
déduire la valeur minimale de L permettant d'être dans
le cas préférentiellement décrit ci-dessus. On en
déduit dont la longueur du tube rallongé objet de la
présente invention à introduire entre l'injecteur et la
rampe commune de manière à ce que la longueur totale de
cette ligne hydraulique soit supérieure ou égale à L.
Par exemple si c=1600 mètres par seconde,
x=0,002 seconde, et la longueur initiale de la ligne
hydraulique Linitiale = 0,4 mètre, la longueur
L = (2.x.c/4)-Linitiale = 1,2 mètre. La longueur totale de
la ligne hydraulique , Ltotale = 0,4+1,2=1,6 mètre.
La baisse de fréquence des ondes de pression
créée par une injection de rang N permet donc de
limiter les fluctuations de pression dans la zone de
phasage correspondant à l'injection consécutive de rang
N+1. Ceci permet donc, entre autres, de faciliter la
mise au point du moteur et le traitement des
interactions entre les différentes injections par des
moyens de correction logicielles, ou autres.
On précise que si la longueur rajoutée dans
la ligne d'injection est de la manière décrite ci-dessus,
l'amplitude des fluctuations de pression
consécutive à l'injection de rang N qui est à prendre
en compte pour son effet sur l'injection suivante de
rang N+1 n'est plus l'amplitude crête à crête, mais
l'écart entre la valeur moyenne de la pression et sa
valeur maximale sur le temps de phasage concerné.
Toutefois, comme ceci est expliqué plus haut,
cette augmentation de la ligne d'injection est
théoriquement relativement importante, c'est-à-dire de
l'ordre du mètre supplémentaire. Ceci conduit à un
encombrement sous le capot moteur, ce qui peut être
inacceptable, sachant qu'un système de réduction de
fréquence est nécessaire pour chaque injecteur.
En conséquence, en référence à la figure 2,
la réalisation principale de l'invention consiste à
réaliser une canalisation en spirale. A cet effet, on
forme ou usine une rainure en spirale 10 sous la
surface externe d'un barreau ou d'un tube interne 1. Ce
dernier est placé à l'intérieur d'un tube externe 2
dont le diamètre interne correspond au diamètre externe
du tube interne 1. L'ajustement doit être serré ou en
force pour qu'il n'y ait pas de fuite d'une spire à
l'autre de la canalisation.
En référence à la figure 3, une deuxième
réalisation de la conduite en spirale consiste à former
une rainure en spirale 20 sur la surface interne d'un
tube externe 22, comme un taraudage, à l'intérieur
duquel on introduit, par ajustement serré ou en force,
un tube ou barreau interne 21.
Une troisième réalisation plus complexe
consiste à choisir l'une des deux solutions précédentes
et de la réaliser sur plusieurs diamètres. En d'autres
termes, sur la figure 4 on rajoute un deuxième tube
interne 31B possède sur sa surface externe une première
rainure en spirale 308. Ce deuxième tube interne 31A
est placé, par ajustement serré ou en force, à
l'intérieur d'un premier tube interne 31A, sur la
surface externe duquel une rainure en spirale 30A est
formée. Le tout est placé à l'intérieur d'un tube
externe 32, par ajustement serré ou en force. De plus,
en perçant des trous dans le premier tube interne 31A,
il est possible de faire communiquer les deux rainures
30A et 30B à des endroits voulus.
Ceci permet de doubler la longueur de la
canalisation, pour une même longueur de tube rajouté.
En d'autres termes, cette réalisation permet de réduire
l'encombrement dû au rajout de canalisations.
Pour ces trois différentes réalisations, les
diamètres extérieurs des tubes ou des barreaux, les
diamètres intérieurs et extérieurs des tubes, les
caractéristiques de filetage, c'est-à-dire le pas, la
largeur et la profondeur des gorges, leur forme, etc.,
et les matériaux utilisés sont préférentiellement
déterminés de manière à ce que le fluide ne puisse
passer du tour de rang M au tour de rang M+1 du même
filetage, qu'en suivant la rainure réalisant le
filetage et non en passant dans un éventuel jeu pouvant
exister entre le barreau ou le tube interne et le tube
externe dans lequel il est inséré.
D'autre part, la présence d'une canalisation
ou d'un conduit d'une grande longueur entre la rampe de
distribution commune et les injecteurs à tendance à
augmenter l'effet de vidange de la ligne hydraulique
entre la rampe commune et les injecteurs. En
conséquence, lors d'une injection, le nez de
l'injecteur n'est pas réalimenté aussi rapidement et il
s'ensuit une perte de pression d'injection
supplémentaire, donc une éventuelle dégradation de la
réponse du moteur. Pour limiter cet effet, les
caractéristiques des filetages des tubes et barreaux
sont choisis de manière à diminuer les pertes de charge
dans les tubes longs. Plus la section de passage du
filetage est grande, c'est-à-dire plus le filetage est
large et profond, plus la perte de charge est faible.
Plus l'état de surface des matériaux au niveau des
filetages et barreaux est de bonne qualité,
c'est-à-dire lisse, plus la perte de charge est faible.
Une autre méthode pour atténuer l'effet de
vidange consiste à rajouter un ou plusieurs volumes
entre chaque injecteur et les conduits ou canalisations
longues. En effet, en référence à la figure 5, un
premier système d'injection complet selon l'invention
comprend une rampe d'alimentation en carburant, elle-même
alimentée par une canalisation d'approvisionnement
51 équipée d'une pompe 52 et provenant d'un réservoir
de carburant 53. La rampe de distribution 50 alimente
quatre injecteurs 60 par l'intermédiaire de quatre
conduits d'alimentation placés dans un tube externe 40.
Or, ce dernier a un volume total un peu plus important,
comme le montre la figure 6. En effet, chaque tube
externe 40 possède un volume interne 41 supplémentaire,
ce qui permet donc d'atténuer l'effet de vidange.
En référence à la figure 7, une autre
réalisation consiste à installer les conduits
supplémentaires à l'intérieur de la rampe de
distribution 70. En effet, chaque conduit peut être
réalisé par une rainure en filetage 71 pratiquée sur le
tube ou le barreau central 72 de la rampe de
distribution 70. Compte tenu du fait que chaque conduit
possède un volume non négligeable de carburant, la
somme des volumes des quatre conduits d'alimentation 71
peut être éventuellement équivalente au volume contenu
dans la rampe commune d'usage habituel. On choisit donc
les dimensions des rainures en filetage constituant les
conduits d'alimentation 71 dans ce but. Ainsi, le
barreau central 71 peut être usiné de N filetages pour
N injecteur 60. On peut également usiner un seul
filetage sur le barreau central 72 dont la longueur
correspond à la longueur totale des conduits
d'alimentation pour les N injecteurs 60. Dans ce cas,
on utilise N-1 séparations pour partager le filetage en
N conduits d'alimentation 71.
Le barreau central 72 est de préférence percé
en son centre par une canalisation centrale 75 qui
relie la sortie d'une pompe haute pression 73 au début
de chaque conduit d'alimentation 71 par des trous
percés radialement 76. Les N injecteurs 60 peuvent
ainsi être alimentés chacun par un tube d'alimentation
77 connecté à la sortie chacun d'un conduit
d'alimentation 71.
On peut également envisager une combinaison
de cette réalisation avec celle des réalisations
précédentes, notamment des réalisations représentées
aux figures 3 et 4. Un tel système d'injection peut
également être utilisé pour diminuer la fréquence de la
ligne hydraulique située en amont de la rampe
d'injection, en aval de la pompe haute pression. Un tel
système réducteur de fréquence est alors placé entre la
pompe haute pression et la rampe commune.
Il est également possible d'utiliser, par
exemple dans le cas d'un moteur à six cylindres en V,
deux rampes communes de distribution équipées du
système d'injection selon l'invention pour trois
cylindres.
Grâce à sa compacité, le système selon
l'invention permet de loger un conduit de grande
longueur dans un faible encombrement.
Un tel système peut être également utilisé
dans tous les cas où l'on souhaite réaliser un accord
acoustique en adaptant la longueur des lignes
hydrauliques utilisées.