FR2751702A1 - Internal combustion engine fuel injection system with piezo- electric fuel atomiser - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT POUR
MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention se rapporte à un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne destiné notamment à équiper un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection de carburant utilisant un actuateur piézo-électrique pour atomiser le carburant injecté sous forme de très fines gouttelettes.FUEL INJECTION DEVICE FOR
INTERNAL COMBUSTION ENGINE
The present invention relates to a fuel injection device for an internal combustion engine intended in particular to equip a motor vehicle. The invention relates more particularly to a fuel injection device using a piezoelectric actuator to atomize the fuel injected in the form of very fine droplets.
Les dispositifs d'injection de carburant utilisés aujourd'hui sur les moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles ou routiers, fonctionnent classiquement sur le modèle d'un robinet dont on commande en permanence l'état ouvert ou fermé, le dosage du carburant injecté se faisant alors directement par le temps d'ouverture des injecteurs. The fuel injection devices used today on internal combustion engines fitted to motor or road vehicles, conventionally operate on the model of a tap whose open or closed state is continuously controlled, the dosage of the injected fuel then done directly by the opening time of the injectors.
De tels systèmes d'injection comprennent une pompe électrique d'alimentation en carburant qui alimente, par le canal d'une rampe de distribution, l'ensemble des injecteurs sous une pression présentant une différence constante avec la pression régnant dans le collecteur d'admission grâce à un régulateur de pression. En contrôlant électroniquement l'électro-aimant actionnant la soupape de chaque injecteur, on commande le début et la durée d'ouverture de celle-ci et on détermine alors un débit précis de carburant pour chacun des injecteurs, ainsi la quantité de carburant injectée dépend uniquement du temps d'ouverture des électroinjecteurs. Such injection systems include an electric fuel supply pump which supplies, via a distribution manifold, all of the injectors under a pressure having a constant difference with the pressure prevailing in the intake manifold. through a pressure regulator. By electronically controlling the electromagnet actuating the valve of each injector, one controls the beginning and the duration of opening of this one and one then determines a precise flow of fuel for each one of the injectors, thus the quantity of fuel injected depends only the opening time of the electro-injectors.
Les injecteurs du type à aiguille commandée électromagnétiquement, qui sont les plus communément employés, présentent toutefois des limites qui freinent l'amélioration des performances des moteurs notamment en terme de dépollution. En particulier les temps mis pour ouvrir ou fermer les aiguilles sont encore trop élevés, de l'ordre de 1 à 2 ms, ce qui empêche de répartir correctement l'injection sur tout le temps d'ouverture de la soupape. De plus, le temps minimum d'ouverture, qui détermine la dose minimale de carburant pouvant être injecté, est encore trop important pour certains points de fonctionnement moteur. The injectors of the electromagnetically controlled needle type, which are the most commonly used, however have limits which slow down the improvement in engine performance, particularly in terms of pollution control. In particular, the times taken to open or close the needles are still too high, of the order of 1 to 2 ms, which prevents the injection from being distributed correctly over the entire opening time of the valve. In addition, the minimum opening time, which determines the minimum dose of fuel that can be injected, is still too long for certain engine operating points.
Les injecteurs à aiguille connus présentent par ailleurs des orifices d'injection de diamètres relativement importants pour permettre de débiter les quantités requises de carburant pour les fonctionnements à pleine charge et hauts régimes des moteurs. Cette disposition génère des jets de carburant présentant des gouttes de fortes dimensions, ce qui freine la vaporisation du carburant (et donc la préparation du mélange carburé) et est à même de favoriser le phénomène de mouillage de paroi. Known needle injectors also have injection holes of relatively large diameters to allow the delivery of the required quantities of fuel for operations at full load and high engine speeds. This arrangement generates fuel jets having drops of large dimensions, which slows down the vaporization of the fuel (and therefore the preparation of the fuel mixture) and is capable of promoting the phenomenon of wall wetting.
En effet, le carburant non vaporisé tend à se déposer sur les parois du conduit d'admission ou de la chambre de combustion (en injection directe). In fact, the non-vaporized fuel tends to settle on the walls of the intake duct or the combustion chamber (by direct injection).
Un tel dépôt entraîne des problèmes de dosage, particulièrement aigus dans les transitoires par manque de connaissance de la quantité de carburant qui rentre effectivement dans la chambre de combustion correspondante. Ce phénomène de mouillage des parois est l'une des causes importantes des fortes émissions de polluants lors des démarrages à froid des moteurs.Such a deposit causes metering problems, particularly acute in transients due to a lack of knowledge of the quantity of fuel which actually enters the corresponding combustion chamber. This wall wetting phenomenon is one of the major causes of high pollutant emissions during cold engine starts.
Par ailleurs, avec un injecteur classique à aiguille, à l'ouverture de l'aiguille lorsque cette dernière commence à quitter son siège, il se forme un bulbe de liquide qui disparaît lorsque l'aiguille est complètement levée, l'écoulement du fluide se régularisant alors. Ce changement dans la nature de l'écoulement rend impossible tout contrôle précis du débit instantané de l'injecteur. In addition, with a conventional needle injector, when the needle opens when the latter begins to leave its seat, a liquid bulb forms which disappears when the needle is fully raised, the fluid flow regularizing then. This change in the nature of the flow makes any precise control of the instantaneous injector flow impossible.
Certains ont cherché à résoudre ces différents problèmes, en développant des injecteurs utilisant des actuateurs piézo-électriques pour manoeuvrer l'aiguille de façon à abaisser la durée d'ouverture et de fermeture de l'aiguille, mais de tels systèmes qui fonctionnent toujours selon le principe du robinet , conservent des inconvénients importants liés notamment à la dispersion importante affectant la taille des gouttes dans le jet de carburant au sortir du nez de l'injecteur. Some have sought to solve these various problems, by developing injectors using piezoelectric actuators to maneuver the needle so as to reduce the duration of opening and closing of the needle, but such systems which always operate according to the principle of the valve, retain significant drawbacks related in particular to the significant dispersion affecting the size of the drops in the fuel jet leaving the nozzle nose.
L'ensemble des problèmes cités précédemment se soldent donc par : une vaporisation du carburant pouvant être incomplète et non homogène lors de la préparation du mélange carburé dans la chambre de combustion, des dosages imprécis, avec pour conséquence une combustion incomplète se traduisant par la formation d'une quantité élevée de gaz polluants et un déficit énergétique altérant le rendement du moteur. All of the problems mentioned above therefore result in: a vaporization of the fuel which may be incomplete and not homogeneous during the preparation of the fuel mixture in the combustion chamber, inaccurate dosages, with the result of incomplete combustion resulting in the formation a high amount of polluting gases and an energy deficit affecting engine performance.
L'objet de la présente invention est donc de résoudre l'ensemble de ces problèmes en proposant un dispositif d'injection apte à délivrer un nuage de gouttes de carburant dont les tailles sont parfaitement calibrées pour assurer un dosage précis et suffisamment petites pour assurer la vaporisation complète et homogène du carburant injecté. The object of the present invention is therefore to solve all of these problems by proposing an injection device capable of delivering a cloud of fuel drops whose sizes are perfectly calibrated to ensure precise metering and sufficiently small to ensure the complete and homogeneous spraying of the injected fuel.
Le dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne à allumage commandé selon l'invention est du type comprenant un corps d'injecteur à l'intérieur duquel est ménagé une capacité connectée à un circuit d'alimentation en carburant sous une pression adaptée, cette capacité débouchant dans une buse d'injection à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection de carburant muni de moyens obturateurs mobiles entre une position d'ouverture et une position de fermeture sous l'action de moyens de manoeuvre pilotés par un système électronique de contrôle moteur suivant les conditions de fonctionnement du moteur. The fuel injection device for an internal combustion engine with spark ignition according to the invention is of the type comprising an injector body inside which is arranged a capacity connected to a fuel supply circuit under a suitable pressure , this capacity opening into an injection nozzle at the end of which is formed a fuel injection orifice provided with shutter means movable between an open position and a closed position under the action of piloted maneuvering means by an electronic engine control system according to the engine operating conditions.
Selon l'invention, le dispositif d'injection de carburant est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mise en pression cyclique du carburant remplissant ladite buse, la fréquence et l'intensité de la surpression ainsi générée étant ajustées par des moyens de commande pilotés par le système électronique de contrôle moteur pour produire une atomisation du carburant sous forme de gouttelettes de tailles prédéterminées et permettre l'injection d'une quantité désirée de carburant pendant l'ouverture desdits moyens obturateurs. According to the invention, the fuel injection device is characterized in that it comprises means for pressurizing the fuel cyclically filling said nozzle, the frequency and the intensity of the overpressure thus generated being adjusted by means of control controlled by the electronic engine control system to produce an atomization of the fuel in the form of droplets of predetermined sizes and allow the injection of a desired quantity of fuel during the opening of said shutter means.
Conformément à l'invention, l'injection du carburant à travers l'orifice d'injection se fait par application d'une surpression dans la buse d'injection. A chaque surpression correspond l'injection d'une quantité élémentaire de carburant sous la forme d'un faisceau de gouttelettes, pour injecter la quantité totale requise, il est donc nécessaire d'engendrer une succession appropriée de surpressions. Le nombre de cycles est calculé de façon très simple comme le rapport de la quantité totale requise par la quantité élémentaire injectée à chaque pulse de pression. According to the invention, the injection of fuel through the injection orifice is done by application of an overpressure in the injection nozzle. Each overpressure corresponds to the injection of an elementary quantity of fuel in the form of a beam of droplets, to inject the total quantity required, it is therefore necessary to generate an appropriate succession of overpressures. The number of cycles is very simply calculated as the ratio of the total quantity required by the elementary quantity injected at each pressure pulse.
Cette variation cyclique de la pression du carburant contenu dans la buse d'injection, encore appelée pression dynamique, est provoquée selon un mode particulier de réalisation par déformation des parois de la cavité. La variation de volume ainsi obtenue est adaptée pour permettre de générer la surpression nécessaire à l'injection du carburant. This cyclic variation in the pressure of the fuel contained in the injection nozzle, also called dynamic pressure, is caused according to a particular embodiment by deformation of the walls of the cavity. The variation in volume thus obtained is adapted to make it possible to generate the overpressure necessary for injecting the fuel.
Pour commander la déformation des parois de la cavité, il est possible d'utiliser des matériaux piézo-électriques ou magnétostrictifs activés par une source de puissance électrique commandée par le système de contrôle moteur. De tels matériaux se déforment sous l'influence d'un champ électrique ou magnétique et permettent donc l'application, par contact direct ou à distance par action indirecte, de contraintes sur les parois, générant ainsi les déplacements voulus. To control the deformation of the walls of the cavity, it is possible to use piezoelectric or magnetostrictive materials activated by an electric power source controlled by the engine control system. Such materials deform under the influence of an electric or magnetic field and therefore allow the application, by direct contact or remotely by indirect action, of stresses on the walls, thus generating the desired displacements.
Un tel dispositif d'injection commandé électroniquement permet un contrôle très précis de la taille des gouttes injectées et qui est totalement indépendamment du débit et de la durée d'injection. Such an electronically controlled injection device allows very precise control of the size of the drops injected and which is completely independent of the flow rate and the duration of injection.
Il offre également la possibilité, en étant disposé au voisinage d'une soupape d'admission, d'injecter le carburant dans la chambre de combustion pendant tout le temps d'ouverture de la soupape, et d'assurer ainsi un contrôle précis du dosage et une bonne vaporisation du carburant directement dans la chambre grâce au faible diamètre des gouttes injectées. It also offers the possibility, by being placed in the vicinity of an intake valve, of injecting the fuel into the combustion chamber during the entire opening time of the valve, and thus ensuring precise control of the dosage. and good vaporization of the fuel directly in the chamber thanks to the small diameter of the drops injected.
Une telle disposition permet de profiter du flux d'air pénétrant dans la chambre de combustion pendant cette phase d'admission pour assister le décollement des séries de gouttes formées sur l'orifice d'injection et empêcher les gouttes de se déposer sur le col de la soupape par effet d'entraînement. De plus, ce flux d'air provoque une abrasion des gouttes de carburant injectées contribuant ainsi à leur vaporisation dès leur formation. Such an arrangement makes it possible to take advantage of the air flow entering the combustion chamber during this intake phase to assist the separation of the series of drops formed on the injection orifice and prevent the drops from settling on the neck of the valve by entrainment effect. In addition, this air flow causes abrasion of the injected fuel drops, thus contributing to their vaporization as soon as they are formed.
Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne objet de l'invention, la section de passage de l'orifice d'injection est conformée de façon à former des gouttes de carburant de dimensions sensiblement uniformes. La taille de ces gouttes est préférentiellement comprise entre 20 à 40 microns de diamètre. According to another characteristic of the fuel injection device for an internal combustion engine object of the invention, the passage section of the injection orifice is shaped so as to form fuel drops of substantially uniform dimensions. The size of these drops is preferably between 20 to 40 microns in diameter.
Selon différents modes de réalisation, cet orifice d'injection se présente sous la forme d'une fente oblongue droite ou circulaire, de dimension transversale réduite à quelques microns, par exemple de l'ordre de 15 à 20 microns. According to different embodiments, this injection orifice is in the form of a straight or circular oblong slot, of transverse dimension reduced to a few microns, for example of the order of 15 to 20 microns.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description présentée ci-après de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels
la figure 1 est une vue en coupe de la culasse d'un moteur à combustion interne et d'un premier mode de réalisation du dispositif d'injection de carburant selon l'invention
la figure 2 est une vue similaire à la figure 1, montrant un second mode de réalisation du dispositif d'injection selon l'invention
la figure 3 est une vue de détail partielle du dispositif d'injection représenté à la figure 1.The objects, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the description presented below of various embodiments of the invention, given by way of nonlimiting examples, with reference to the accompanying drawings, in which
Figure 1 is a sectional view of the cylinder head of an internal combustion engine and of a first embodiment of the fuel injection device according to the invention
Figure 2 is a view similar to Figure 1 showing a second embodiment of the injection device according to the invention
FIG. 3 is a partial detail view of the injection device shown in FIG. 1.
Conformément aux dessins annexés, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. De plus, pour faciliter la lecture de ces dessins, les mêmes pièces portent les mêmes références d'une figure à 1 ' autre. In accordance with the appended drawings, only the elements necessary for understanding the invention have been shown. In addition, to facilitate reading of these drawings, the same parts have the same references from one figure to another.
En se reportant à la figure 1, on voit en coupe transversale l'extrémité d'un conduit d'admission 30 ménagé à travers la culasse 31 d'un moteur à combustion interne du type multicylindre à allumage commandé. Ce conduit 30 débouche dans la chambre de combustion 33 définie sur la face inférieure de la culasse 31 par l'intermédiaire d'un orifice d'admission 32 servant de siège à une soupape à tige 9 montée coulissante dans un guide 34 logé dans la culasse 31. L'ouverture de la soupape 9 est commandée classiquement par des moyens appropriés non figurés, tels qu'un arbre à cames. Referring to Figure 1, we see in cross section the end of an intake duct 30 formed through the cylinder head 31 of an internal combustion engine of the multicylinder type with spark ignition. This conduit 30 opens into the combustion chamber 33 defined on the underside of the cylinder head 31 by means of an inlet orifice 32 serving as a seat for a stem valve 9 slidably mounted in a guide 34 housed in the cylinder head 31. The opening of the valve 9 is conventionally controlled by suitable means which are not shown, such as a camshaft.
Le dispositif d'injection de carburant selon l'invention est du type multipoint à commande électronique. Chaque chambre de combustion 33 du moteur est alimentée en carburant par au moins un injecteur spécifique 1. Selon l'implantation particulière représentée, l'injecteur 1 objet de la présente invention est conformé pour venir entourer la soupape d'admission 9. The fuel injection device according to the invention is of the multipoint type with electronic control. Each combustion chamber 33 of the engine is supplied with fuel by at least one specific injector 1. According to the particular layout shown, the injector 1 which is the subject of the present invention is shaped to come and surround the intake valve 9.
Cet injecteur 1 qui s'étend dans le conduit d'admission en amont de la chambre de combustion 33 dans le sens de l'écoulement de l'air frais comburant, est essentiellement formé d'un corps constitué d'un corps tubulaire 2 sensiblement cylindrique disposé coaxialement à la tige de la soupape 9. This injector 1 which extends into the intake duct upstream of the combustion chamber 33 in the direction of the flow of the oxidizing fresh air, is essentially formed of a body consisting of a tubular body 2 substantially cylindrical arranged coaxially to the valve stem 9.
Ce corps 2 est ancré à son extrémité axiale supérieure, repérée par le point G, directement sur le guide 34 de la soupape 9 lequel est adapté en conséquence tandis qu'à l'opposé, son extrémité axiale inférieure, repérée par le point A, s'étend au voisinage du siège 32 de la soupape 9. This body 2 is anchored at its upper axial end, identified by the point G, directly on the guide 34 of the valve 9 which is adapted accordingly while, on the other hand, its lower axial end, identified by the point A, extends in the vicinity of the seat 32 of the valve 9.
Le corps 2 présente une paroi d'épaisseur évolutive définissant deux alésages intérieurs 22 et 24 de diamètres distincts. L'alésage 22 est destiné à recevoir à coulissement, dans la zone située axialement entre les points de repère E et
D, un plongeur 3 constitué d'un manchon 13 s'étendant également coaxialement à la tige de la soupape 9.The body 2 has a wall of changing thickness defining two internal bores 22 and 24 of distinct diameters. The bore 22 is intended to receive sliding, in the zone located axially between the reference points E and
D, a plunger 3 consisting of a sleeve 13 also extending coaxially to the stem of the valve 9.
L'ajustement approprié des diamètres respectifs de l'alésage 22 et du manchon 13 permet d'obtenir un centrage et un guidage en translation précis de ce dernier par rapport au corps 2 de l'injecteur. De préférence, le jeu entre les parois en regard est de quelques microns. The appropriate adjustment of the respective diameters of the bore 22 and of the sleeve 13 makes it possible to obtain centering and precise translational guidance of the latter relative to the body 2 of the injector. Preferably, the clearance between the facing walls is a few microns.
L'alésage 24, de diamètre sensiblement supérieur à l'alésage 22, délimite avec les parois en vis-à-vis du manchon 13 situées entre les points
D et C, une cavité sensiblement cylindrique 4. La cavité 4 ainsi définie est destinée à être alimentée en permanence en carburant par plusieurs canaux d'amené 15 ménagés radialement à travers le manchon 13. Ces canaux sont reliés à un circuit d'alimentation en carburant sous une pression donnée non figuré.The bore 24, of diameter substantially greater than the bore 22, delimits with the walls facing the sleeve 13 located between the points
D and C, a substantially cylindrical cavity 4. The cavity 4 thus defined is intended to be permanently supplied with fuel by several supply channels 15 arranged radially through the sleeve 13. These channels are connected to a supply circuit fuel under a given pressure not shown.
Les dimensions de cette cavité 4 et plus particulièrement sa hauteur (dans le sens axial) sont ajustées en fonction des quantités de carburant à délivrer, son épaisseur (dans le sens radial) à savoir la distance séparant les parois de l'alésage 24 du corps 2 et celles en regard du manchon 13, est de l'ordre de quelques centaines de microns. The dimensions of this cavity 4 and more particularly its height (in the axial direction) are adjusted as a function of the quantities of fuel to be delivered, its thickness (in the radial direction), namely the distance separating the walls of the bore 24 from the body 2 and those opposite the sleeve 13, is of the order of a few hundred microns.
Les parois d'extrémité inférieures du corps 2 comme celles en regard du manchon 13, situées entre les points C et B-A, se terminent au voisinage de la tête de la soupape 9, en s'évasant et en se rapprochant l'une de l'autre jusqu'à venir au contact au droit de leurs extrémités axiales, repérées respectivement par les points B et A. The lower end walls of the body 2, like those opposite the sleeve 13, located between points C and BA, terminate in the vicinity of the head of the valve 9, flaring and approaching one of the 'other until it comes into contact with their axial ends, identified respectively by points B and A.
Il en résulte que la cavité 4 se rétrécit vers le bas pour former une buse d'injection carburant 12 qui se termine à son tour par une fente circulaire 14 comprise entre les deux extrémités axiales du corps 2 et du plongeur 3, fente 14 qui constitue l'orifice d'injection de l'injecteur 1. As a result, the cavity 4 narrows downward to form a fuel injection nozzle 12 which in turn ends in a circular slot 14 comprised between the two axial ends of the body 2 and of the plunger 3, slot 14 which constitutes the injection port of injector 1.
L'ouverture de cette fente 14 est commandée par le déplacement axial du plongeur 3 qui est mobile par rapport au corps 2 qui demeure fixe. The opening of this slot 14 is controlled by the axial movement of the plunger 3 which is movable relative to the body 2 which remains fixed.
L'extrémité B du plongeur 3 constitue donc une clapet obturateur pour la fente 14, en venant reposer contre le siège correspondant qui est formé par l'extrémité A du corps 2.The end B of the plunger 3 therefore constitutes a shutter valve for the slot 14, coming to rest against the corresponding seat which is formed by the end A of the body 2.
Le plongeur 3 est apte à se déplacer entre la position fermée où les extrémités A et B respectives du corps 2 et du plongeur 3 sont en contact et une positon ouverte où l'extrémité B se trouve décalée axialement de l'extrémité A d'une valeur prédéfinie. Ces déplacements sont opérés au moyen d'un mécanisme de manoeuvre approprié situé dans la partie haute du corps 2 entre les points G et E. The plunger 3 is able to move between the closed position where the respective ends A and B of the body 2 and of the plunger 3 are in contact and an open position where the end B is offset axially from the end A of preset value. These movements are made by means of an appropriate operating mechanism located in the upper part of the body 2 between the points G and E.
Ce mécanisme de manoeuvre du plongeur 3 se compose essentiellement d'un élément de tube 6 à paroi mince prolongeant le manchon 13 et d'un empilement de céramiques piézo-électriques 5. This operating mechanism of the plunger 3 essentially consists of a tube element 6 with a thin wall extending the sleeve 13 and a stack of piezoelectric ceramics 5.
L'élément de tube 6 forme des moyens élastiques de rappel forçant le plongeur 3 dans la position de fermeture de la fente 14, tandis que lorsqu'il est activé, l'actuateur piézo-électrique 5 tend à repousser le plongeur 3 de son siège A d'une hauteur donnée contre l'action antagoniste du tube 6.The tube element 6 forms elastic return means forcing the plunger 3 into the closed position of the slot 14, while when activated, the piezoelectric actuator 5 tends to push the plunger 3 from its seat At a given height against the antagonistic action of the tube 6.
L'élément de tube 6 est fixé à son extrémité axiale supérieure, directement sur le guide 34 de la soupape 9. I1 présente par ailleurs une zone rigide taraudée 16, s'étendant entre les points G et F, sur sa face externe de façon à recevoir un écrou 7. Cette partie filetée 16 du tube 6 est prolongée par une paroi mince flexible de forme concave, s'étendant entre les points F et
E, pour ensuite rejoindre le manchon monté à coulissement dans le corps de l'injecteur 2.The tube element 6 is fixed at its upper axial end, directly on the guide 34 of the valve 9. I1 also has a rigid tapped zone 16, extending between points G and F, on its external face so to receive a nut 7. This threaded portion 16 of the tube 6 is extended by a flexible thin wall of concave shape, extending between the points F and
E, to then join the sleeve mounted to slide in the body of the injector 2.
La jonction entre l'élément de tube 6 et le manchon 13 définit un épaulement en saillie radiale qui sert d'appui axial à l'extrémité inférieure de l'empilement annulaire multicouches de céramiques piézo-électriques 5. L'autre extrémité de l'empilement 5 est précontraint par l'écrou 7 avec un effort de serrage adapté. The junction between the tube element 6 and the sleeve 13 defines a radially projecting shoulder which serves as an axial support at the lower end of the annular multilayer stack of piezoelectric ceramics 5. The other end of the stack 5 is prestressed by nut 7 with a suitable tightening force.
L'empilement 5 est connecté à une alimentation électrique appropriée non figurée pilotée par un système électronique de contrôle moteur également non figuré. Par application d'une tension électrique entre les électrodes de l'empilement 5, on provoque une déformation de cet empilement se traduisant par une translation axiale du manchon 13, par déformation élastique des parois concaves du tube 6, d'une valeur prédéterminée e et donc aussi une translation selon l'axe des extrémités en regard A et B du corps 2 et du plongeur 3 définissant la fente circulaire 14 terminant la cavité 4, créant ainsi une ouverture circulaire de largeur e . The stack 5 is connected to a suitable electrical power supply not shown, controlled by an electronic motor control system also not shown. By applying an electrical voltage between the electrodes of the stack 5, this stack is deformed, resulting in an axial translation of the sleeve 13, by elastic deformation of the concave walls of the tube 6, by a predetermined value e and therefore also a translation along the axis of the opposite ends A and B of the body 2 and of the plunger 3 defining the circular slot 14 terminating the cavity 4, thus creating a circular opening of width e.
L'ajustement du corps 2 et du plongeur 3 dans leurs parties centrales situées entre les points E et D permet un déplacement aisé du plongeur 3 et permet de limiter l'angle entre les deux axes de symétrie des deux parois terminales A et B pour préserver l'uniformité de la fente 14 le long de sa circonférence. The adjustment of the body 2 and of the plunger 3 in their central parts located between the points E and D allows an easy displacement of the plunger 3 and makes it possible to limit the angle between the two axes of symmetry of the two end walls A and B to preserve uniformity of the slot 14 along its circumference.
Pour un déplacement axial du plongeur 3 de l'ordre de vingt microns et un jeu < e d de dix microns entre les pièces dans leurs parties centrales, on obtient, pour des longueurs sensiblement identiques de part et d'autre de leur zone centrale (distance D-G voisine de D-A), de légers écarts possibles dans l'ouverture de la fente 14 limités au maximum à :
[e2 + d2]1/2 ~ e = 2,5 ssm. For an axial displacement of the plunger 3 of the order of twenty microns and a clearance <ed of ten microns between the parts in their central parts, we obtain, for substantially identical lengths on either side of their central zone (distance DG next to DA), slight deviations possible in the opening of the slot 14 limited to a maximum of:
[e2 + d2] 1/2 ~ e = 2.5 ssm.
On peut obtenir un déplacement axial < e e de vingt microns typiquement en appliquant cinquante Volts sur un empilement de vingt millimètres de hauteur contenant cent trente couches de céramiques annulaires piézo-électriques, la force axiale générée atteint plusieurs kilo
Newtons et s'exerce dans des temps inférieurs à cent microsecondes. Ces empilements sont disponibles industriellement. Ceci permet d'assurer une ouverture circulaire de la fente 14 de vingt microns en un temps inférieur à 0,1 milliseconde pour amorcer l'éjection du carburant hors de la buse 12 à travers la fente 14.One can obtain an axial displacement <ee of twenty microns typically by applying fifty volts on a stack of twenty millimeters in height containing one hundred and thirty layers of annular piezoelectric ceramics, the axial force generated reaches several kilo
Newtons and is exercised in times of less than a hundred microseconds. These stacks are available industrially. This makes it possible to ensure a circular opening of the slot 14 of twenty microns in a time less than 0.1 millisecond to initiate the ejection of the fuel from the nozzle 12 through the slot 14.
En effet, considérons que la paroi élastique 6 exerce une force de rappel F, pour un poids total du plongeur intérieur 3 de cent grammes. Pour déplacer axialement le plongeur 3 de vingt microns en cent microsecondes, l'empilement doit développer une force maximale T permettant d'assurer l'accélération G voulue du plongeur 3 et la déformation de la paroi 6, soit
T = (mx G) + F
Dans l'hypothèse ou le déplacement du plongeur 3 s'opère selon une sinusoïde de type uOsin t, on a alors
-a? 2
G = u0
soit compte tenu des valeurs numériques reteneus
mx G = 250 Newtons.Indeed, consider that the elastic wall 6 exerts a restoring force F, for a total weight of the inner plunger 3 of one hundred grams. To move the plunger 3 axially from twenty microns to one hundred microseconds, the stack must develop a maximum force T allowing the desired acceleration G of the plunger 3 and the deformation of the wall 6 to be ensured, ie
T = (mx G) + F
In the hypothesis where the displacement of the plunger 3 takes place according to a sinusoid of the type uOsin t, we then have
-at? 2
G = u0
either taking into account the numerical values retained
mx G = 250 Newtons.
La force de rappel F exercée par la paroi élastique 6 est donc définie pour exercer une contrainte de même valeur pour avoir un temps de fermeture sensiblement identique au temps d'ouverture soit deux cent cinquante Newtons. The restoring force F exerted by the elastic wall 6 is therefore defined to exert a stress of the same value to have a closing time which is substantially identical to the opening time, ie two hundred and fifty Newtons.
L'empilement de céramique 5 doit donc développer lors de l'ouverture une contrainte T de l'ordre de cinq cent Newtons ce qui est largement admissible avec les actuateurs actuellement commercialisés. The ceramic stack 5 must therefore develop, upon opening, a stress T of the order of five hundred Newtons, which is widely admissible with the actuators currently on the market.
L'orifice d'injection de la buse 12 que constitue la fente 14 est donc adapté pour délivrer un nuage de gouttes de carburant dont les tailles sont parfaitement calibrées. En effet grâce à la dimension radiale restreinte du passage dégagé lors de la levée du plongeur 3, entre quinze et vingt microns, les gouttes de carburant ont un diamètre uniforme compris entre vingt et cinquante microns. The injection orifice of the nozzle 12 that constitutes the slot 14 is therefore suitable for delivering a cloud of fuel drops whose sizes are perfectly calibrated. In fact, thanks to the restricted radial dimension of the passage cleared during the lifting of the plunger 3, between fifteen and twenty microns, the fuel drops have a uniform diameter of between twenty and fifty microns.
Cette dimension radiale réduite de l'orifice d'injection s'étendant toutefois sur un périmètre adapté, la section totale de l'orifice est suffisante pour permettre l'injection des quantités importantes de carburant requises pour les fonctionnements à pleine charge et haut régime du moteur. Les gouttes ainsi générées sont alors suffisamment petites pour assurer la vaporisation complète et homogène du carburant injecté. This reduced radial dimension of the injection orifice however extending over a suitable perimeter, the total section of the orifice is sufficient to allow the injection of the large quantities of fuel required for operations at full load and at high speed of the engine. The drops thus generated are then small enough to ensure complete and homogeneous vaporization of the injected fuel.
Pendant le temps d'application de la tension entre les électrodes de l'empilement 5 l'ouverture de la fente 14 circulaire définie entre les extrémités A et B, reste constante ou bien varie selon la valeur de la tension appliquée. During the time of application of the voltage between the electrodes of the stack 5, the opening of the circular slot 14 defined between the ends A and B, remains constant or varies according to the value of the applied voltage.
Lorsque cette tension retombe à zéro, la paroi élastique de rappel 6 assure la fermeture de la fente 14 circulaire entre A et B avec un temps de fermeture du même ordre de grandeur que celui nécessaire à l'ouverture.When this voltage drops to zero, the elastic return wall 6 ensures the closing of the circular slot 14 between A and B with a closing time of the same order of magnitude as that necessary for opening.
Selon un aspect particulièrement original du dispositif d'injection objet de l'invention, la pression d'alimentation du carburant remplissant la cavité 4 et la buse 12 est choisie en fonction des dimensions de l'orifice d'injection formé par la fente 14 de façon que lors de son ouverture, la tension superficielle du liquide provoque la formation d'un ménisque empêchant tout écoulement de ce dernier hors de la fente 14. According to a particularly original aspect of the injection device which is the subject of the invention, the fuel supply pressure filling the cavity 4 and the nozzle 12 is chosen as a function of the dimensions of the injection orifice formed by the slot 14 of so that when it opens, the surface tension of the liquid causes the formation of a meniscus preventing any flow of the latter out of the slot 14.
L'éjection du liquide hors de la fente n'est donc pas générée par la levée du plongeur mais par la mise en pression du liquide contenu dans la cavité et donc dans la buse d'injection. The ejection of the liquid from the slot is therefore not generated by the lifting of the plunger but by the pressurization of the liquid contained in the cavity and therefore in the injection nozzle.
Cette mise en pression n'est pas continue mais cyclique. Chaque pulse de pression provoque l'éjection d'une quantité élémentaire de carburant sous la forme d'un faisceau de gouttelettes calibrées, et c'est la répétition de ces éjections élémentaires à haute fréquence qui produit l'éjection de la quantité totale souhaitée dans le laps de temps donné, compte tenu des conditions de fonctionnement du moteur. La quantité élémentaire de carburant qui est déterminée par la section de l'orifice d'injection et de la valeur de la surpression est choisie suffisamment petite pour satisfaire à toutes les conditions de fonctionnement du moteur.This pressurization is not continuous but cyclical. Each pressure pulse causes the ejection of an elementary quantity of fuel in the form of a beam of calibrated droplets, and it is the repetition of these elementary ejections at high frequency which produces the ejection of the total quantity desired in the given period of time, taking into account the operating conditions of the engine. The elementary quantity of fuel which is determined by the cross section of the injection orifice and the value of the overpressure is chosen to be small enough to satisfy all the operating conditions of the engine.
Pour ce faire la paroi du corps 2 d'épaisseur réduite dans la zone de la cavité 4, c'est-à-dire entre les points C et D, est entourée par un cylindre en matériau piézo-électrique 8. Ce cylindre 8 est directement fixé sur la face extérieure correspondante du corps 2 de l'injecteur. To do this, the wall of the body 2 of reduced thickness in the zone of the cavity 4, that is to say between the points C and D, is surrounded by a cylinder made of piezoelectric material 8. This cylinder 8 is directly attached to the corresponding outer face of the injector body 2.
Les surfaces internes et externes du cylindre 8 qui composent les électrodes sont connectées à une alimentation électrique appropriée non figurée pilotée par le système électronique de contrôle moteur qui pilote par ailleurs l'empilement 5. The internal and external surfaces of the cylinder 8 which make up the electrodes are connected to a suitable electrical supply, not shown, controlled by the electronic engine control system which also controls the stack 5.
Avec une polarisation radiale, lorsqu'on applique une tension alternative entre les électrodes du cylindre, on est à même de faire varier son diamètre intérieur ce qui entraîne simultanément une variation de diamètre des parois correspondantes du corps 2 dont la nature et l'épaisseur sont adaptées pour permettre une telle déformation élastique. With a radial polarization, when an alternating voltage is applied between the electrodes of the cylinder, one is able to vary its internal diameter which simultaneously causes a variation in diameter of the corresponding walls of the body 2, the nature and thickness of which are adapted to allow such elastic deformation.
Ces variations de diamètre du cylindre 8 génèrent des vibrations radiales de la paroi extérieure de la cavité 4. Ces vibrations engendrent, à leur tour, une pression dynamique dans le carburant liquide remplissant la cavité 4 et la buse d'injection 12. These variations in diameter of the cylinder 8 generate radial vibrations of the outer wall of the cavity 4. These vibrations generate, in turn, a dynamic pressure in the liquid fuel filling the cavity 4 and the injection nozzle 12.
La paroi du plongeur 3 est dimensionnée de façon à présenter une rigidité suffisante pour supporter les pics de pression dans la cavité 4 et dans la buse 12 en subissant seulement des déformations amenant des variations de diamètre du second ordre par rapport aux variations de diamètre des parois correspondantes du corps 2. The wall of the plunger 3 is dimensioned so as to have sufficient rigidity to withstand the pressure peaks in the cavity 4 and in the nozzle 12 while undergoing only deformations causing variations in diameter of the second order relative to the variations in diameter of the walls body 2.
A chaque cycle de tension appliquée au cylindre piézo-électrique 8 est généré un pulse de pression dans la cavité 4. La surpression alors engendrée est suffisante pour casser la tension de surface du ménisque de liquide se formant au droit de la fente 14 annulaire entre A et B, lorsque cette dernière est ouverte. At each tension cycle applied to the piezoelectric cylinder 8, a pressure pulse is generated in the cavity 4. The overpressure then generated is sufficient to break the surface tension of the meniscus of liquid forming in line with the annular slot 14 between A and B, when the latter is open.
Le liquide brusquement mis sous pression est alors éjecté sous forme d'une couronne de gouttes dont le diamètre est directement fonction des dimensions de l'ouverture de la fente 14. The suddenly pressurized liquid is then ejected in the form of a ring of drops whose diameter is directly a function of the dimensions of the opening of the slot 14.
L'inclinaison de la partie terminale de la- cavité 4 définissant la buse d'injection 12 entre B et C qui résulte de l'évasement des parois terminales du corps 2 et du plongeur 3, permet de former un faisceau conique de gouttes apte à être dirigé directement dans la chambre de combustion 33 lors de l'ouverture de la soupape 9.The inclination of the end part of the cavity 4 defining the injection nozzle 12 between B and C which results from the flaring of the end walls of the body 2 and of the plunger 3, makes it possible to form a conical beam of drops suitable for be directed directly into the combustion chamber 33 when the valve 9 is opened.
A titre d'exemple, le dispositif d'injection comprend une cavité 4 de cent cinquante microns d'épaisseur comprise entre un corps 2 en laiton d'un millimètre d'épaisseur et un plongeur 3 également en laiton de douze millimètres de diamètre ayant une épaisseur de cent microns, le corps 2 étant associé par collage à un cylindre en céramique piézo-électrique 8 d'un millimètre d'épaisseur sur une longueur de quinze millimètres (entre les points D et C). On obtient alors avec une tension alternative de soixante quinze volts à quatre vingt kiloHertz, l'éjection d'un faisceau de gouttes de carburant. Le diamètre des gouttes est fonction du réglage de l'ouverture et peut être choisi entre vingt et cinquante microns. La vitesse d'éjection des gouttes peut être ajustée entre un à trois mètres par seconde pour un diamètre donné. By way of example, the injection device comprises a cavity 4 of a hundred and fifty microns thick comprised between a body 2 made of brass one millimeter thick and a plunger 3 also made of brass twelve millimeters in diameter having a thickness of one hundred microns, the body 2 being associated by bonding to a piezoelectric ceramic cylinder 8 one millimeter thick over a length of fifteen millimeters (between points D and C). We then obtain with an alternating voltage of seventy five volts at eighty kiloHertz, the ejection of a beam of fuel drops. The diameter of the drops depends on the setting of the opening and can be chosen between twenty and fifty microns. The ejection speed of the drops can be adjusted between one to three meters per second for a given diameter.
Grâce au mode particulier de réalisation du dispositif d'injection selon l'invention, représenté à la figure 1, il est possible de déclencher l'injection du carburant lors de la levée de la soupape 9 et d'injecter le carburant directement dans la chambre de combustion à travers l'ouverture 10 ainsi dégagée. Thanks to the particular embodiment of the injection device according to the invention, represented in FIG. 1, it is possible to initiate the injection of the fuel when the valve 9 is lifted and to inject the fuel directly into the chamber combustion through the opening 10 thus released.
Par ailleurs, lors de l'ouverture de la soupape 9, le flux d'air d'admission remplissant la chambre de combustion 23 a une vitesse de l'ordre de 70 mètres par seconde au voisinage du col de la soupape. Ce flux assiste l'éjection du carburant et entraîne les gouttes qui sont éjectées de la fente 14 circulaire sous forme d'un faisceau conique pour les propulser directement dans la chambre 23 à travers l'ouverture 10. Furthermore, during the opening of the valve 9, the intake air flow filling the combustion chamber 23 has a speed of the order of 70 meters per second in the vicinity of the valve neck. This flow assists the ejection of the fuel and drives the drops which are ejected from the circular slot 14 in the form of a conical beam to propel them directly into the chamber 23 through the opening 10.
La différence entre la vitesse d'éjection des gouttes, voisine de 3 mètres par seconde et celle du flux d'air, provoque un phénomène d'abrasion des gouttes de carburant et contribue à leur évaporation. The difference between the ejection speed of the drops, close to 3 meters per second and that of the air flow, causes abrasion of the fuel drops and contributes to their evaporation.
L'ouverture de la fente d'éjection 14 peut être synchronisée sur l'ouverture de la soupape 9 par simple commande en tension de l'actuateur 5 et l'éjection des gouttes est alors produite par application d'une tension alternative sur les électrodes du cylindre 8 pendant une durée prédéterminée permettant d'opérer l'injection du débit de carburant requis suivant les points de fonctionnement du moteur. The opening of the ejection slot 14 can be synchronized with the opening of the valve 9 by simple voltage control of the actuator 5 and the ejection of the drops is then produced by application of an alternating voltage on the electrodes of the cylinder 8 for a predetermined time allowing the injection of the required fuel flow according to the operating points of the engine.
Chaque pulse de pression produisant l'éjection d'un nombre déterminé de gouttes, repérées 11, on peut donc doser très précisément la quantité de carburant injecté en commandant électriquement le nombre de pulses correspondant. Each pressure pulse producing the ejection of a determined number of drops, identified 11, it is therefore possible to measure very precisely the quantity of fuel injected by electrically controlling the corresponding number of pulses.
La figure 2 illustre un second mode de réalisation du mécanisme de manoeuvre du plongeur 3 et d'ouverture de la fente 14. Dans cette version, l'actuateur piézo-électrique 5 est remplacé par un système entièrement mécanique. La soupape 9 possède une partie galbée 19 en saillie autour de la tige, cette partie 19 venant en appui sur l'élément de paroi élastique 6 lors de la levée de soupape 9. La pression provoquée par l'appui de la surface 19 contre la paroi 6 se traduit par une élongation de cette dernière ce qui produit, à son tour, une translation de la partie inférieure du plongeur 3 et une ouverture correspondante de la fente 14. FIG. 2 illustrates a second embodiment of the mechanism for operating the plunger 3 and opening the slot 14. In this version, the piezoelectric actuator 5 is replaced by an entirely mechanical system. The valve 9 has a curved part 19 projecting around the rod, this part 19 coming to bear on the elastic wall element 6 when the valve is lifted 9. The pressure caused by the pressing of the surface 19 against the wall 6 results in an elongation of the latter which in turn produces a translation of the lower part of the plunger 3 and a corresponding opening of the slot 14.
Dans ce second mode de réalisation particulier de l'invention, l'ouverture de la fente circulaire 14 est directement déterminée par le diamètre du galbe 19 et par la rigidité de la paroi flexible 6. In this second particular embodiment of the invention, the opening of the circular slot 14 is directly determined by the diameter of the curve 19 and by the rigidity of the flexible wall 6.
La figure 3 détaille un système piézoélectrique apte à assurer les déformations des parois de la cavité 4 générant les surpressions cycliques du carburant qu'elle renferme. Le cylindre piézo-électrique 8 est subdivisé en plusieurs plaquettes courbées 13. Chaque plaquette piézo-électrique 13 est solidarisée à la paroi du corps 2 par collage et les électrodes sont formées par les deux facettes. Lorsqu'on applique une tension entre ces électrodes, par effet de striction, chaque plaquette piézo-électrique 13 s'étire dans ses deux directions planaires ; l'état de contrainte sur les deux faces étant différent, ceci a pour effet de créer une flexion de la plaquette qui se traduit localement par un changement de courbure de la paroi correspondante du corps 2. Chaque plaquette 13 exerce la même déformation en phase avec la tension électrique appliquée. L'effet résultant est une variation de volume apparaissant à chaque cycle de tension, ce qui permet de générer la surpression voulue à chaque cycle dans la cavité 4 délimitée entre le corps de l'injecteur 2 et le plongeur 3. FIG. 3 details a piezoelectric system capable of ensuring the deformations of the walls of the cavity 4 generating the cyclic overpressures of the fuel which it contains. The piezoelectric cylinder 8 is subdivided into several curved plates 13. Each piezoelectric plate 13 is secured to the wall of the body 2 by bonding and the electrodes are formed by the two facets. When a voltage is applied between these electrodes, by necking effect, each piezoelectric plate 13 stretches in its two planar directions; the state of stress on the two faces being different, this has the effect of creating a bending of the plate which results locally in a change of curvature of the corresponding wall of the body 2. Each plate 13 exerts the same deformation in phase with the applied electrical voltage. The resulting effect is a variation in volume appearing at each tension cycle, which makes it possible to generate the desired overpressure at each cycle in the cavity 4 delimited between the body of the injector 2 and the plunger 3.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described and illustrated which have been given only by way of example.
Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. On the contrary, the invention includes all the technical equivalents of the means described and their combinations if these are carried out according to the spirit.
Ainsi, l'invention n'est pas limitée à un corps d'injecteur 2 disposé concentriquement à l'axe d'une soupape 9. Le corps 2 de l'injecteur peut ainsi être disposé plus en amont dans le conduit d'admission, voire à l'extérieur de la culasse dans le collecteur d'admission. Thus, the invention is not limited to an injector body 2 disposed concentrically with the axis of a valve 9. The body 2 of the injector can thus be disposed further upstream in the intake duct, or even outside the cylinder head in the intake manifold.
Ainsi la présente invention peut s'appliquer à tous types d'injecteurs et notamment à un injecteur classique à aiguille. Il suffit toutefois que la buse d'injection puisse coopérer avec une source d'excitation apte à créer des ondes de pression à des fréquences très élevées. Thus the present invention can be applied to all types of injectors and in particular to a conventional needle injector. However, it suffices that the injection nozzle can cooperate with an excitation source capable of creating pressure waves at very high frequencies.
De même, il est possible, en ajustant en conséquence la pression d'admission du carburant introduit dans la cavité 4, de fonctionner avec une fente d'éjection 14 ouverte en permanence pendant tout le temps de fonctionnement du moteur. Likewise, it is possible, by adjusting the intake pressure of the fuel introduced into the cavity 4 accordingly, to operate with an ejection slot 14 permanently open during the entire operating time of the engine.
L'injection est alors contrôlée par la seule mise sous pression de la cavité 4 par l'élément piézoélectrique 8. En l'absence d'excitation de l'élément 8, la tension superficielle du carburant crée un ménisque qui empêche toute fuite de carburant à travers la fente 14. The injection is then controlled by the sole pressurization of the cavity 4 by the piezoelectric element 8. In the absence of excitation of the element 8, the surface tension of the fuel creates a meniscus which prevents any leakage of fuel through slot 14.
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