EP1599671A2 - Injecteur de carburant pour moteur a combustion interne - Google Patents

Injecteur de carburant pour moteur a combustion interne

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Publication number
EP1599671A2
EP1599671A2 EP04715357A EP04715357A EP1599671A2 EP 1599671 A2 EP1599671 A2 EP 1599671A2 EP 04715357 A EP04715357 A EP 04715357A EP 04715357 A EP04715357 A EP 04715357A EP 1599671 A2 EP1599671 A2 EP 1599671A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
main
orifice
jet
fuel
injector
Prior art date
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Granted
Application number
EP04715357A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1599671B1 (fr
Inventor
Micha[L Pontoppidan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Marelli Argentan France SAS
Original Assignee
Magneti Marelli Motopropulsion France SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Magneti Marelli Motopropulsion France SAS filed Critical Magneti Marelli Motopropulsion France SAS
Publication of EP1599671A2 publication Critical patent/EP1599671A2/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1599671B1 publication Critical patent/EP1599671B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size
    • F02M61/1826—Discharge orifices having different sizes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injector for spraying fuel into the combustion chamber of an engine. More particularly, it relates to an injector comprising a head which has a free external face and which is provided with at least one main orifice adapted to spray a jet of fuel in a so-called main direction and at least one secondary orifice adapted to spray a jet of fuel in a so-called secondary direction, said main and secondary orifices opening into the external face and communicating directly with a common injection chamber which is selectively placed in communication with a supply chamber.
  • the spraying must have a certain directionality and a speed of penetration sufficient to obtain a richness around the candle at the time of lighting, which makes it possible to ignite the mixture.
  • the depth of the spray which increases with the injection pressure must not be excessive, in particular so as not to spray fuel against the walls of the combustion chamber.
  • injectors with a vortex effect we used injectors with a vortex effect, called "s irl injector” in English, in which the fuel is guided in a vortex movement in the injector before being sprayed.
  • These injectors make it possible to obtain good atomization but, in addition to their high cost, they have the drawback of creating a significant internal pressure drop in the supply pressure and consequently make the application of a high force essential for operate the needle control of these injectors.
  • these injectors create a weakly directional jet with a relatively low speed of penetration into the chamber, which in some cases makes it more difficult to obtain a layered mixture, that is to say a gas mixture. whose fuel richness is greater in certain specific parts of the combustion chamber.
  • multi-hole injectors having several orifices which spray fuel jets in diverging directions. These injectors make it possible to obtain a higher penetration speed and very good directionality of all the fuel jets. In addition, they create less internal pressure drop and are less expensive to manufacture than injectors fitted with a vortex sprayer. On the other hand, the fuel spraying efficiency is lower because the contact surface with the gases is smaller and the fuel jet is less turbulent than with the vortex injectors. Consequently, the degree of mixing of the fuel with the gases of the combustion chamber is less controllable in certain cases, which has harmful consequences on the engine performance and the emission of pollutants.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks by proposing an injector which allows direct injection under high pressure into the combustion chamber with high efficiency spraying and a certain directionality, without however significantly increasing the penetration depth of the atomized jet of fuel and the cost of the injector.
  • the invention relates to an injector fuel of the aforementioned type, characterized in that said secondary direction forms an angle ⁇ of between 10 ° and 80 °, preferably between 15 ° and 45 °, and even more preferably approximately equal to 25 °, with said main direction so the secondary jet intercepts the main jet in a so-called bursting zone which begins at a distance d, measured in the main direction from the external face of the head, between 1 and 15 mm, and preferably between 1 and 5 mm, and in that the flow rate of the secondary jet is between 80% and 100% of the flow rate of the main jet.
  • the main jet is driven by a non-negligible radial speed component with respect to the main direction.
  • a better atomization of the main jet and of the secondary jet is therefore obtained from this burst zone without however completely losing the directional power and the penetration speed of the main jet.
  • this injector the orifices of which can be produced by simple cylindrical holes passing through a metal part, such as for example a sheet metal, does not entail a significant additional manufacturing cost.
  • the external face of the head comprises at least one portion having a concavity oriented towards the exterior, into which opens a main orifice and at least one secondary orifice; the main orifice and the secondary orifice open perpendicular to the outer face of the head; the head is provided with at least two secondary orifices which are regularly distributed around the main opening; the secondary orifices have secondary spraying directions adapted so that the secondary jets intercept the main jet in the same longitudinal position of the main direction; the head is provided with at least two main orifices adapted to spray fuel jets in diverging main directions which form between them an angle ⁇ of between 5 ° and 45 °; - each main jet is intercepted by at least two secondary jets sprayed by secondary orifices located around the main orifice, - the main orifice and the secondary orifice are cylindrical holes, the diameter of the secondary orifice being less than diameter of the main orifice
  • the invention also relates to the use of an injector as defined above, with a spark-ignition engine, in which
  • injector is arranged to directly spray the fuel into the combustion chamber.
  • the injector is supplied with fuel under a pressure having a peak value of between 150 and 500 bars; the spraying direction of the main orifice is arranged, as a function of the geometry of the combustion chamber and of the gas circulation in said chamber, so as to obtain a richness of between 0.7 and 1.2 near the ignition control means at the time of ignition.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an injector as defined above, in which: the concave portion of the outer face is produced by deformation of an initially flat wall portion; and / or - the main orifice and the secondary orifice opening perpendicularly are hollowed out by electroerosion.
  • FIG. 1 is a simplified sectional view of an engine with spark ignition and direct injection comprising an injector according to the invention
  • - Figure 2 is a partial view in longitudinal section of a first embodiment of one injector shown in Figure 1
  • Figure 3 is a view similar to Figure 2 in which is shown a second embodiment of the injector.
  • Figure 1 schematically shows a cross section of an internal combustion engine 4, four-stroke, spark ignition and direct fuel injection.
  • the engine 1 comprises one, or more, cylinder 2 extending along a longitudinal axis XX and in which is slidably mounted according to the longitudinal axis a piston 3.
  • the piston 3 is connected to a crankshaft (not shown) by a connecting rod 4.
  • a combustion chamber 5 is delimited by the upper end of the cylinder 2, a cavity 6 arranged opposite the piston 3 in a cylinder head 7 attached to the cylinder 2, and by an end face 9 of the head 8 of the piston 3
  • the cavity 6 of the cylinder head 7 is a so-called "roof" cavity, that is to say that it comprises two inclined planes connecting at the level of a vertex 6a intersecting the longitudinal axis XX of the cylinder 2.
  • the cylinder head 7 comprises a spark plug 10 provided with electrodes 11 arranged in the region of the apex 6a of the cylinder head.
  • the present invention is applied to a compression ignition engine of the diesel type.
  • the cavity 6 of the cylinder head 7 comprises an intake lumen 14 at the downstream end of an intake duct 15 and an exhaust lumen 17 at the upstream end of an exhaust duct 19.
  • the lights intake 14 and exhaust 17 are respectively closed by an intake valve 16 and an exhaust valve 18 whose opening and closing are controlled by any known means, such as for example a camshaft.
  • any known means such as for example a camshaft.
  • the cylinder head 7 also comprises an injector 12 provided with an injection head 13, which extends along an axis Y-Y.
  • the head 13 of the injector has an external face 20 arranged in the combustion chamber 5.
  • the injector 12 is connected to a fuel supply line, not shown.
  • the driving The supply system contains fuel under high pressure, that is to say a pressure which reaches at least momentarily a value greater than 100 bars and which corresponds substantially to the pressure at which the fuel is injected into the combustion chamber.
  • fuel under high pressure that is to say a pressure which reaches at least momentarily a value greater than 100 bars and which corresponds substantially to the pressure at which the fuel is injected into the combustion chamber.
  • common rail common rail
  • the head of the injector produced according to the invention can be used in an injection system of the injector-pump type in which the injector is associated with a high pressure pump.
  • the outer face 20 of the head 13 of the injector is provided with a main orifice 21 adapted to spray a jet of fuel, represented diagrammatically by the outline 22, coming from a chamber d injection 24.
  • the jet 22 of the main orifice 21 is oriented in a direction P, called the main direction, determined by the shape of the orifice 21 and corresponding to the axis of symmetry of the base of the jet 22.
  • the outer face 20 is also provided with a secondary orifice 25 adapted to spray a jet of fuel 26 in a direction S called secondary.
  • the outer face 20, and more precisely the portion of. the latter into which the orifices open is free from any obstacle which could mask one and / or the other of the orifices.
  • the secondary orifice 25 also communicates directly with the injection chamber 24 which is thus common to the main and secondary orifices, so that the spraying by the two types of orifice is simultaneous.
  • the injection chamber 24 is selectively placed in communication with a supply chamber 27 containing fuel under pressure.
  • the communication between the injection chamber 24 and the supply chamber 27 is obtained by lifting a needle 28 from a seat 29 formed in the head 13 of the injector.
  • the lifting of the needle 28 can be controlled by mechanical, electromagnetic or piezoelectric means synchronized with the rotation of the crankshaft.
  • end 28a of the needle has a geometry complementary to the internal face of the head 13 to minimize the volume of the injection chamber 24, in order to avoid a flow of fuel in the combustion chamber 5 to an unwanted moment.
  • the secondary direction S of the secondary jet 26 is oriented towards the main direction P of the main jet 22 so that the secondary jet 26 intercepts the main jet 22 in a so-called burst zone represented schematically by the contour 30, and the flow of the secondary jet 26 is at most equal to the flow rate of the main jet 22.
  • the tests show that the flow rate of the secondary jet must be at least equal to 80% of the flow rate of the main jet, so that the momentum of movement of the secondary jet reduces from 30% to 40% penetration of the main jet.
  • the main direction P and the secondary direction S form an angle of about 25 ° between them.
  • this angle can be between 10 ° and 80 °, but it is preferable that the angle ⁇ remains between 15 ° and 45 °.
  • the bursting zone 30 begins at a distance d measured in the main direction P from the external face 20 of the head 13 of the injector. This distance d is between 1 and 15 mm to obtain a good compromise between the directionality and the burst of the main jet 22, but is preferably less than 5 mm to obtain an early burst and a relatively limited depth of penetration.
  • the directionality and the penetration speed necessary for the fuel injected into the combustion chamber are obtained, in particular by adjusting the distance between the orifices and the angle ⁇ .
  • the atomized fuel jet forms a solid cone, and not a hollow cone such as that obtained with a vortex injector. It is not absolutely necessary that the secondary direction S exactly intersects the main direction P. Indeed, given the diameters and the flow rates of the main fuel jet and the secondary jet, it is possible to obtain a sufficient interception of the fuel jets with a secondary direction S slightly offset from the main direction P, which limits the depth of penetration.
  • the main orifice 21 and the secondary orifice 25 are cylindrical holes opening perpendicular to the face outside 20 of the head. These cylindrical holes opening perpendicularly to the outer face 20 are advantageously made by EDM. But it is possible to achieve them by other known techniques, such as punching.
  • the orifices (21, 25) could have a different shape, in particular in the case of an injector intended for a diesel engine. Indeed, for this type of engine, the fuel injection pressure is significantly higher, greater than 1000 bars and the wall of the head 13 of the injector is thicker, which makes it possible to form orifices truncated.
  • the orifices (21,25) open directly into the injection chamber 24, which limits the pressure losses in the head of the injector unlike the swirl effect injectors which require a device upstream of the orifice to animate the fuel in a circular motion.
  • the outer face 20 of the head 13 has a portion 32 having a concavity oriented towards the outside and into which the main opening 21 and the secondary opening 25 open perpendicularly, so that the secondary direction S is oriented towards the main direction P.
  • the concave portion 32 has a continuous curvature which can be obtained by stamping a portion of initially flat sheet metal.
  • Figure 3 which shows a second embodiment of a fuel injector according to the invention, it is possible to multiply the number of main ports and the number of secondary ports.
  • the head 13 of the injector 12 comprises, in this second embodiment, two main orifices (21a, 21b) which respectively spray jets of fuel, not shown, in a main direction Pa and a main direction Pb.
  • the main directions Pa and Pb are divergent and form between them an angle ⁇ of about 15 °.
  • the outer face 20 of this second embodiment comprises two main orifices (21a, 21b) with which two secondary orifices (25a; 25b) are associated respectively.
  • the secondary orifices 25a are located diametrically opposite with respect to the main orifice 21a, which makes it possible to maintain a certain symmetry of the main jet of fuel from the bursting zone. It will be noted that it is possible to maintain this symmetry by having more than two secondary orifices distributed in a regular angular fashion around the main orifice 21a.
  • the secondary directions Sa of the jets sprayed by the secondary orifices 25a are arranged so that the secondary jets intercept the main jet of the orifice 21a in the same longitudinal position of the main direction Pa.
  • the two main orifices (21a, 21b) and the four secondary orifices (25a, 25b) are included in the same plane, but it is possible to arrange the two main orifices 21a, 21b in a first longitudinal plane of the head 13 of the injector and the secondary orifices (25a, 25b) in two planes perpendicular to the first longitudinal plane.
  • the outer face 20 includes a first portion concave 32a into which open the orifices 21a and 25a and a second concave portion 32b into which open the orifices 21b and 25b.
  • (32a; 32b) has three facets, a central facet into which the main orifice opens perpendicularly and two lateral facets into which the secondary orifices open perpendicularly.
  • the wall of the injector comprising the facets is relatively thin in the case where the pressure in the supply chamber 27 does not exceed 500 bars.
  • this portion of the outer face comprising the concavities (32a, 32b) is then formed by stamping, that is to say by deformation and not machining or molding, of a portion initially planar.
  • the injector produced according to the invention is arranged in a spark-ignition engine so as to spray petrol directly into the combustion chamber.
  • the injector according to the invention makes it possible to very precisely adjust the characteristics of the spray, and in particular the direction, the speed and the depth of penetration, as well as the atomization of the fuel, which is particularly advantageous for this type of engine.
  • a spark ignition engine requires very precise spraying, in particular to have sufficient richness in the region of the ignition means when it is triggered.
  • the main direction P of the main orifice, or of the main orifices, is arranged taking into account the geometry of the combustion chamber, such as for example the presence of a hollow 33 and a flange 34 formed on the face d end 9 of the piston, and of the circulation of gases inside the combustion chamber to obtain a richness of between 0.7 and 1.2 near the electrodes 11 of the spark plug 10 when creating a spark between the electrodes.
  • the main direction P forms a more or less pronounced angle with the longitudinal axis YY of the injector 12, or that in the case of several main orifices, the main directions (Pa, Pb) are not arranged symmetrically with respect to the longitudinal axis YY of the injector.
  • the head 13 of the injector produced according to the invention creates little internal pressure drop and therefore the injector 12 can be supplied by a common rail containing fuel under high pressure.
  • the fuel supply pressure of the injector 12 preferably reaches a peak value of between 150 bars and 500 bars.

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Description

INJECTEUR DE CARBURANT POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention se rapporte à un injecteur de carburant pour pulvériser du carburant dans la chambre de combustion d'un moteur. Plus particulièrement, elle se rapporte à un injecteur comprenant une tête qui présente une face extérieure libre et qui est munie d'au moins un orifice principal adapté pour pulvériser un jet de carburant selon une direction dite principale et au moins un orifice secondaire adapté pour pulvériser un jet de carburant selon une direction dite secondaire, lesdits orifices principal et secondaire débouchant dans la face extérieure et communiquant directement avec une chambre d'injection commune qui est sélectivement mise en communication avec une chambre d'alimentation.
Pour les moteurs à allumage commandé avec injection directe du carburant dans la chambre de combustion, il est nécessaire d'obtenir rapidement une pulvérisation bien contrôlée du jet de carburant. En effet, la pulvérisation doit présenter une certaine directionnalité et une vitesse de pénétration suffisante pour obtenir une richesse autour de la bougie au moment de l'allumage, qui permet d'enflammer le mélange. Toutefois, la profondeur du jet pulvérisé qui augmente avec la pression d'injection ne doit pas être excessive, afin notamment de ne pas pulvériser du carburant contre les parois de la chambre de combustion.
Pour cela, on a utilisé des injecteurs à effet tourbillonnaire, appelés "s irl injector" en anglais, dans lesquels le carburant est guidé selon un mouvement de tourbillon dans l' injecteur avant d'être pulvérisé. Ces injecteurs permettent d'obtenir une bonne atomisation mais, outre leur coût élevé, ils présentent l'inconvénient de créer une perte de charge interne importante de la pression d'alimentation et par conséquent, rendent indispensable l'application d'une force élevée pour actionner- l'aiguille de commande de ces injecteurs. En pratique, il est difficile d'utiliser ces injecteurs avec une pression d'alimentation en carburant supérieure à 150 bars. De plus, ces injecteurs créent un jet faiblement directionnel avec une vitesse de pénétration dans la chambre relativement peu élevée, ce qui rend dans certains cas plus difficile l'obtention d'un mélange stratifié, c'est-à-dire un mélange de gaz dont la richesse en carburant est plus importante dans certaines parties déterminées de la chambre de combustion.
Pour ces moteurs, il est aussi connu d'utiliser des injecteurs multi trous comportant plusieurs orifices qui pulvérisent des jets de carburant selon des directions divergentes. Ces injecteurs permettent d'obtenir une vitesse de pénétration plus élevée et une très bonne directionnalité de l'ensemble des jets de carburant. De plus, ils créent moins de pertes de charge interne et sont moins onéreux à fabriquer que les injecteurs munis d'un pulvérisateur à effet tourbillonnaire. Par contre, l'efficience de la pulvérisation du carburant est plus faible car la surface de contact avec les gaz est inférieure et le jet de carburant est moins turbulent qu'avec les injecteurs à effets tourbillonnaires . Par conséquent, le degré de mélange du carburant avec les gaz de la chambre de combustion est moins contrôlable dans certains cas de figure, ce qui a des conséquences néfastes sur le rendement du moteur et l'émission de polluants.
La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant un injecteur qui permette l'injection directe sous haute pression dans la chambre de combustion avec une pulvérisation à efficience élevée et une certaine directionnalité, sans toutefois augmenter de manière conséquente la profondeur de pénétration du jet atomisé de carburant et le coût de l' injecteur. A cet effet, l'invention a pour objet un injecteur de carburant du type précité, caractérisé en ce que ladite direction secondaire forme un angle α compris entre 10° et 80°, préférentiellement compris entre 15° et 45°, et encore plus préférentiellement environ égal à 25°, avec ladite direction principale de manière à ce que le jet secondaire intercepte le jet principal dans une zone dite d'éclatement qui débute à une distance d, mesurée selon la direction principale depuis la face extérieure de la tête, comprise entre 1 et 15 mm, et préférentiellement comprise entre 1 et 5 mm, et en ce que le débit du jet secondaire est compris entre 80 % et 100 % du débit du jet principal.
Grâce à cette disposition, à partir de la zone d'éclatement qui commence à faible distance de l' injecteur, le jet principal est animé d'une composante de vitesse radiale non négligeable par rapport à la direction principale. On obtient donc à partir de cette zone d'éclatement une meilleure atomisation du jet principal et du jet secondaire sans toutefois perdre complètement le pouvoir directionnel et la vitesse de pénétration du jet principal. De plus, cet injecteur, dont les orifices peuvent être réalisés par de simples trous cylindriques traversant une pièce métallique, comme par exemple une tôle, n'entraîne pas un surcoût de fabrication important.
Dans des formes de réalisation préférée de l'invention, on a recours, en outre, à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : la face extérieure de la tête comporte au moins une portion présentant une concavité orienté vers l'extérieur, dans laquelle débouche un orifice principal et au moins un orifice secondaire ; l'orifice principal et l'orifice secondaire débouchent perpendiculairement à la face extérieure de la tête ; la tête est munie d'au moins deux orifices secondaires qui sont régulièrement répartis autour de l'orifice principal ; les orifices secondaires présentent des directions secondaires de pulvérisation adaptées pour que les jets secondaires interceptent le jet principal en une même position longitudinale de la direction principale ; la tête est munie d'au moins deux orifices principaux adaptés pour pulvériser des jets de carburant selon des directions principales divergentes qui forment entre elle un angle β compris entre 5° et 45° ; - chaque jet principal est intercepté par au moins deux jets secondaires pulvérisés par des orifices secondaires situés autour de l'orifice principal ,- l'orifice principal et l'orifice secondaire sont des trous cylindriques, le diamètre de l'orifice secondaire étant inférieur au diamètre de l'orifice principal ; la portion concave présente une courbure continue ; la portion concave est formée d'au moins deux facettes, une première facette dans laquelle débouche un orifice principal et une facette secondaire dans laquelle débouche un orifice secondaire.
Par ailleurs, l'invention a également pour objet l'utilisation d'un injecteur tel que défini précédemment, avec un moteur à allumage commandé, dans laquelle
1' injecteur est agencé de manière à pulvériser directement le carburant dans la chambre de combustion.
Pour une telle utilisation, on peut avoir recours à l'une ou l'autre des dispositions suivantes : - l' injecteur est alimenté en carburant sous une pression présentant une valeur de crête comprise entre 150 et 500 bars ; la direction de pulvérisation de l'orifice principal est agencée, en fonction de la géométrie de la chambre de combustion et de la circulation des gaz dans ladite chambre, de manière à obtenir une richesse comprise entre 0,7 et 1,2 à proximité des moyens de commande de l'allumage au moment de l'allumage.
L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un injecteur tel que défini précédemment, dans lequel : la portion concave de la face extérieure est réalisée par déformation d'une portion de paroi initialement plane ; et/ou - l'orifice principal et l'orifice secondaire débouchant perpendiculairement sont creusés par électroérosion.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'un moteur à allumage commandé et injection directe comprenant un injecteur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation de 1' injecteur représenté à la figure 1 ; la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 sur laquelle est représenté un deuxième mode de réalisation de l' injecteur.
Sur les différentes figures on a conservé les mêmes références pour désigner des éléments identiques ou similaires .
La figure 1 représente de manière schématique une coupe transversale d'un moteur 1 à combustion interne, à quatre temps, à allumage commandé et à injection directe de carburant .
Comme il est bien connu, le moteur 1 comporte un, ou plusieurs, cylindre 2 s 'étendant selon un axe longitudinal X-X et dans lequel est monté coulissant selon l'axe longitudinal un piston 3. Le piston 3 est relié à un vilebrequin (non représenté) par une bielle 4.
Une chambre de combustion 5 est délimitée par l'extrémité supérieure du cylindre 2, une cavité 6 ménagée en regard du piston 3 dans une culasse 7 rapportée sur le cylindre 2, et par une face d'extrémité 9 de la tête 8 du piston 3. La cavité 6 de la culasse 7 est une cavité dite "en toit", c'est-à-dire qu'elle comporte deux plans inclinés se raccordant au niveau d'un sommet 6a coupant l'axe longitudinal X-X du cylindre 2.
S' agissant d'un moteur à allumage commandé, la culasse 7 comporte une bougie d'allumage 10 munie d'électrodes 11 agencés dans la région du sommet 6a de la culasse. Bien que particulièrement destiné à ce type de moteur, il est envisageable que la présente invention soit appliquée à un moteur à allumage par compression de type diesel .
La cavité 6 de la culasse 7 comporte une lumière d'admission 14 à l'extrémité aval d'un conduit d'admission 15 et une lumière d'échappement 17 à l'extrémité amont d'un conduit d'échappement 19. Les lumières d'admission 14 et d'échappement 17 sont respectivement fermées par une soupape d'admission 16 et une soupape d'échappement 18 dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par tout moyen connu, comme par exemple un arbre à came. Bien entendu, la forme de la chambre de combustion 5 et le nombre des soupapes (16, 18) peuvent être différents sans sortir du cadre de la présente invention. La culasse 7 comporte également un injecteur 12 muni d'une tête d'injection 13, qui s'étend selon un axe Y- Y. La tête 13 de l' injecteur présente une face extérieure 20 agencée dans la chambre de combustion 5.
L' injecteur 12 est relié à une conduite d'alimentation en carburant, non représentée. La conduite d'alimentation contient du carburant sous haute pression, c'est-à-dire une pression qui atteint au moins momentanément une valeur supérieure à 100 bars et qui correspond sensiblement à la pression à laquelle le carburant est injecté dans la chambre de combustion. Dans le cas d'une conduite alimentant plusieurs injecteurs sous haute pression, celle-ci est généralement dénommée "rampe commune". On notera toutefois que la tête de l' injecteur réalisée selon l'invention peut être utilisée dans un système d'injection de type injecteur-pompe dans lequel 1' injecteur est associé à une pompe haute pression.
Comme cela apparaît mieux sur la figure 2 , la face extérieure 20 de la tête 13 de l' injecteur est munie d'un orifice principal 21 adapté pour pulvériser un jet de carburant, représenté schematiquement par le contour 22, provenant d'une chambre d'injection 24. Le jet 22 de l'orifice principal 21 est orienté selon une direction P, dite principale, déterminée par la forme de l'orifice 21 et correspondant à l'axe de symétrie de la base du jet 22. La face extérieure 20 est également munie d'un orifice secondaire 25 adapté pour pulvériser un jet de carburant 26 selon une direction S dite secondaire. La face extérieure 20, et plus précisément la portion de. celle-ci dans laquelle débouchent les orifices est libre de tout obstacle qui pourrait masquer l'un et/ou l'autre des orifices. L'orifice secondaire 25 communique aussi directement avec la chambre d'injection 24 qui est ainsi commune aux orifices principal et secondaire, de sorte que la pulvérisation par les deux types d'orifice est simultanée.
Pour commander l'injection de carburant, la chambre d'injection 24 est sélectivement mise en communication avec une chambre d'alimentation 27 contenant du carburant sous pression. La communication entre la chambre d'injection 24 et la chambre d'alimentation 27 est obtenue en levant une aiguille 28 depuis un siège 29 formé dans la tête 13 de 1' injecteur. La levée de l'aiguille 28 peut être commandée par des moyens mécaniques, électromagnétiques ou piézoélectriques synchronisés avec la rotation du vilebrequin.
On notera que l'extrémité 28a de l'aiguille présente une géométrie complémentaire à la face intérieure de la tête 13 pour minimiser le volume de la chambre d'injection 24, afin d'éviter un écoulement de carburant dans la chambre de combustion 5 à un moment non désiré.
La direction secondaire S du jet secondaire 26 est orienté vers la direction principale P du jet principal 22 de manière à ce que le jet secondaire 26 intercepte le jet principal 22 dans une zone dite d'éclatement représentée schematiquement par le contour 30, et le débit du jet secondaire 26 est au plus égal au débit du jet principal 22.
Grâce à cette disposition on obtient une collision, totale ou partielle du jet secondaire 26 avec le jet principal 22, ce qui permet de créer à partir de la zone d'éclatement 30 une composante de vitesse dans le jet principal 22 qui est radiale par rapport à la direction principale P de ce jet. Ceci permet une meilleure atomisation du carburant injecté dans la chambre de combustion 5 et par conséquent d'augmenter le degré du mélange de carburant avec les gaz contenus dans la chambre de combustion.
On notera que pour obtenir un éclatement important du jet principal 22, les essais montrent que le débit du jet secondaire doit être au moins égal à 80 % du débit du jet principal, afin que la quantité de mouvement du jet secondaire réduise de 30 % à 40 % la pénétration du jet principal .
Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, la direction principale P et la direction secondaire S forment entre elles un angle d'environ 25°. Toutefois, il est possible de faire varier cet angle en fonction du rapport entre les débits du jet principal et du jet secondaire, et en fonction du degré d'éclatement du jet principal que l'on veut obtenir. L'angle α peut être compris entre 10° et 80°, mais il est préférable que l'angle α reste compris entre 15° et 45°.
La zone d'éclatement 30 débute à une distance d mesurée selon la direction principale P depuis la face extérieure 20 de la tête 13 de l' injecteur. Cette distance d est comprise entre 1 et 15 mm pour obtenir un bon compromis entre la directionnalité et l'éclatement du jet principal 22, mais est de préférence inférieure à 5 mm pour obtenir un éclatement précoce et une profondeur de pénétration relativement limitée.
Comme le débit du jet 22 pulvérisé par l'orifice principal 21 est supérieur ou égal au débit du jet secondaire 26, on obtient la directionnalité et la vitesse de pénétration nécessaire pour le carburant injecté dans la chambre de combustion, notamment en ajustant la distance entre les orifices et l'angle α. De plus, le jet de carburant atomisé forme un cône plein, et non pas un cône creux tel que celui obtenu avec un injecteur à effet tourbillonnaire . II n'est pas absolument nécessaire que la direction secondaire S coupe exactement la direction principale P. En effet, étant donné les diamètres et les débits du jet de carburant principal et du jet secondaire, on peut obtenir une interception suffisante des jets de carburant avec une direction secondaire S légèrement décalée par rapport à la direction principale P, qui limite la profondeur de pénétration.
Comme on peut le voir sur la figure 2, l'orifice principal 21 et l'orifice secondaire 25 sont des trous cylindriques débouchant perpendiculairement à la face extérieure 20 de la tête. Ces trous cylindriques débouchant perpendiculairement à la face extérieure 20 sont avantageusement réalisés par électroérosion. Mais il est possible de les réaliser par d'autres techniques connues, comme le poinçonnage .
Toutefois, les orifices (21, 25) pourraient avoir une forme différente, notamment dans le cas d'un injecteur destiné à un moteur diesel. En effet, pour ce type de moteur, la pression d'injection du carburant est nettement plus élevée, supérieure à 1 000 bars et la paroi de la tête 13 de l' injecteur est plus épaisse, ce qui permet de réaliser des orifices de forme tronconique.
On notera que les orifices (21,25) débouchent directement dans la chambre d'injection 24, ce qui limite les pertes de charge dans la tête de l' injecteur contrairement aux injecteurs à effet tourbillonnaire qui requièrent un dispositif en amont de l'orifice pour animer le carburant d'un mouvement circulaire.
La face extérieure 20 de la tête 13 comporte une portion 32 présentant une concavité orientée vers l'extérieur et dans laquelle débouchent de manière perpendiculaire l'orifice principal 21 et l'orifice secondaire 25, de manière à ce que la direction secondaire S soit orientée vers la direction principale P. La portion concave 32 présente une courbure continue qui peut être obtenue par emboutissage d'une portion de tôle initialement plane.
Comme on peut le voir sur la figure 3 qui représente un deuxième mode de réalisation d'un injecteur de carburant selon l'invention, il est possible de multiplier le nombre d'orifices principaux et le nombre d'orifices secondaires.
La tête 13 de l' injecteur 12 comporte, dans ce deuxième mode de réalisation, deux orifices principaux (21a, 21b) qui pulvérisent respectivement des jets de carburant, non représentés, selon une direction principale Pa et une direction principale Pb.
Afin d'obtenir une pulvérisation selon un angle plus large dans la chambre de combustion, les directions principales Pa et Pb sont divergentes et forment entre elles un angle β d'environ 15°. Selon les caractéristiques de la pulvérisation du carburant qui sont imposées par la géométrie de la chambre de combustion et la circulation des gaz, il peut être avantageux de faire varier l'angle β entre les directions principales Pa et Pb de 5 à 45°.
La face extérieure 20 de ce deuxième mode de réalisation comporte deux orifices principaux (21a, 21b) auxquels sont associés respectivement deux orifices secondaires (25a ; 25b) . Les orifices secondaires 25a sont situés de manière diamétralement opposée par rapport à l'orifice principal 21a, ce qui permet de conserver une certaine symétrie du jet principal de carburant à partir de la zone d'éclatement. On notera qu'il est possible de conserver cette symétrie en disposant plus de deux orifices secondaires répartis de manière angulaire régulière autour de l'orifice principal 21a.
Les directions secondaires Sa des jets pulvérisés par les orifices secondaires 25a sont agencées de manière à ce que les jets secondaires interceptent le jet principal de l'orifice 21a en une même position longitudinale de la direction principale Pa.
Les deux orifices principaux (21a, 21b) et les quatre orifices secondaires (25a, 25b) sont compris dans un même plan, mais il est envisageable d'agencer les deux orifices principaux 21a, 21b dans un premier plan longitudinal de la tête 13 de l' injecteur et les orifices secondaires (25a, 25b) dans deux plans perpendiculaires au premier plan longitudinal . La face extérieure 20 comprend une première portion concave 32a dans laquelle débouchent les orifices 21a et 25a et une deuxième portion concave 32b dans laquelle débouchent les orifices 21b et 25b. Chaque portion concave
(32a; 32b) comporte trois facettes, une facette centrale dans laquelle débouche perpendiculairement l'orifice principal et deux facettes latérales dans lesquelles débouchent perpendiculairement les orifices secondaires.
La paroi de l' injecteur comportant les facettes est relativement mince dans le cas où la pression dans la chambre d'alimentation 27 n'excède pas 500 bars. Dans le but de limiter le coût de fabrication, cette portion de la face extérieure comportant les concavités (32a, 32b) est alors formée par emboutissage, c'est-à-dire par déformation et non pas usinage ou moulage, d'une portion initialement plane.
Comme représenté sur la figure 1, l' injecteur réalisé selon l'invention est agencé dans un moteur à allumage commandé de manière à pulvériser directement l'essence dans la chambre de combustion. L' injecteur selon l'invention permet d'ajuster de manière très précise les caractéristiques', du jet pulvérisé, et notamment la direction, la vitesse et la profondeur de pénétration, ainsi que 1 ' atomisation du carburant, ce qui est particulièrement intéressant pour ce type de moteur. En effet, un moteur à allumage commandé impose une pulvérisation très précise, notamment pour avoir une richesse suffisante dans la région des moyens d'allumage au moment où celui-ci est déclenché.
La direction principale P de l'orifice principal, ou des orifices principaux, est agencée en tenant compte de la géométrie de la chambre de combustion, comme par exemple la présence d'un creux 33 et d'un rebord 34 formé sur la face d'extrémité 9 du piston, et de la circulation des gaz à l'intérieur de la chambre de combustion pour obtenir une richesse comprise entre 0,7 et 1,2 à proximité des électrodes 11 de la bougie d'allumage 10 au moment de la création d'une étincelle entre les électrodes.
On notera que pour obtenir une direction de pulvérisation de l'orifice principal agencé correctement, il est possible que la direction principale P forme un angle plus ou moins prononcé avec l'axe longitudinal Y-Y de l' injecteur 12, ou que dans le cas de plusieurs orifices principaux, les directions principales (Pa,Pb) ne soient pas disposées de manière symétrique par rapport à l'axe longitudinal Y-Y de l' injecteur.
La tête 13 de l' injecteur réalisé selon l'invention crée peu de perte de charge interne et par conséquent, 1' injecteur 12 peut être alimenté par une rampe commune contenant du carburant sous haute pression. Dans le cas d'un injecteur pour moteur à allumage commandé, la pression d'alimentation en essence de l' injecteur 12 atteint de préférence une valeur de crête comprise entre 150 bars et 500 bars.

Claims

REVENDICATIONS
1. Injecteur de carburant pour pulvériser du carburant dans une chambre de combustion (5) d'un moteur à allumage commandé, comprenant une tête (13) qui présente une face extérieure (20) libre et qui est munie d'au moins un orifice principal (21,-21a, 21b) adapté pour pulvériser un jet de carburant selon une direction (P;Pa,Pb) dite principale et au moins un orifice secondaire (25; 25a, 25b) adapté pour pulvériser un jet de carburant selon une direction (S;Sa,Sb) dite secondaire, lesdits orifices principal et secondaire débouchant dans la face extérieure et communiquant directement avec une chambre d'injection commune (24) qui est sélectivement mise en communication avec une chambre d'alimentation (27), caractérisé en ce que ladite direction secondaire forme un angle α compris entre 10° et 80°, préférentiellement compris entre 15° et 45°, et encore plus préférentiellement environ égal à 25°, avec ladite direction principale de manière à ce que le jet secondaire (26) intercepte le jet principal (22) dans une zone (30) dite d'éclatement qui débute à une distance d, mesurée selon la direction principale (P;Pa,Pb) depuis la face extérieure (20) de la tête, comprise entre 1 et 15 mm, et préférentiellement comprise entre 1 et 5 mm, et en ce que le débit du jet secondaire est compris entre 80 % et 100 % du débit du jet principal.
2. Injecteur selon la revendication 1, dans lequel la face extérieure (20) de la tête (13) comporte au moins une portion (32 ; 32a, 32b) présentant une concavité orienté vers l'extérieur, dans laquelle débouche un orifice principal (21; 21a, 21b) et au moins un orifice secondaire (25;25a,25b) .
3. Injecteur selon la revendication 2 dans lequel l'orifice principal (21; 21a, 21b) et l'orifice secondaire (25; 25a, 25b) débouchent perpendiculairement à la face extérieure (20) de la tête.
4. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la tête (13) est munie d'au moins deux orifices secondaires (25a, 25b) qui sont régulièrement répartis autour de l'orifice principal (21a, 21b) .
5. Injecteur selon la revendication 4, dans lequel les orifices secondaires (25a, 25b) présentent des directions secondaires (Sa,Sb) de pulvérisation adaptées pour que les jets secondaires interceptent le jet principal en une même position longitudinale de la direction principale (Pa,Pb).
6. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la tête (13) est munie d'au moins deux orifices principaux (21a, 21b) adaptés pour pulvériser des jets de carburant selon des directions principales (Pa,Pb) divergentes qui forment entre elle un angle β compris entre 5° et 45°.
7. Injecteur selon la revendication 6, dans lequel dans lequel chaque jet principal est intercepté par au moins deux jets secondaires pulvérisés par des orifices secondaires (25a, 25b) situés autour de l'orifice principal
(21a, 21b) .
8. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'orifice principal
(21; 21a, 21b) et l'orifice secondaire (25; 25a, 25b) sont des trous cylindriques, le diamètre de l'orifice secondaire étant inférieur au diamètre de l'orifice principal.
9. Injecteur de carburant selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 dans lequel la portion concave (32) présente une courbure continue.
10. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel la portion concave (32a, 32b) est formée d'au moins deux facettes, une première facette dans laquelle débouche un orifice principal (21a, 21b) et une facette secondaire dans laquelle débouche un orifice secondaire (25a, 25b).
11. Utilisation d'un injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, avec un moteur à allumage commandé, dans laquelle l' injecteur (12) est agencé de manière à pulvériser directement le carburant dans la chambre de combustion (5) .
12. Utilisation d'un injecteur selon la revendication 11, dans laquelle l' injecteur (12) est alimenté en carburant sous une pression présentant une valeur de crête comprise entre 150 et 500 bars.
13. Utilisation d'un injecteur selon la revendication 11 ou 12, dans laquelle la direction (P;Pa,Pb) de pulvérisation de l'orifice principal (21; 21a, 21b) est agencée, en fonction de la géométrie de la chambre de combustion (5) et de la circulation des gaz dans ladite chambre, de manière à obtenir une richesse comprise entre 0,7 et 1,2 à proximité des moyens de commande (11) de l'allumage au moment de l'allumage.
14 Procédé de fabrication d'un injecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, dans lequel la portion concave (32; 32a; 32b) de la face extérieure (20) est réalisée par déformation d'une portion de paroi initialement plane.
15. Procédé de fabrication d'un injecteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, dans lequel l'orifice principal (21; 21a; 21b) et l'orifice secondaire (25,-25a; 25b) débouchant perpendiculairement à la surface extérieure (20) sont creusés par électroérosion.
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