FR2851792A1 - Injecteur de carburant pour moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
Injecteur de carburant pour pulvériser du carburant dans une chambre de combustion d'un moteur, comprenant une tête (13) qui présente une face extérieure (20) et qui est munie d'au moins un orifice principal (21) adapté pour pulvériser un jet de carburant (22) selon une direction (P) dite principale et au moins un orifice secondaire (25) adapté pour pulvériser un jet de carburant (26) selon une direction (S) dite secondaire. La direction secondaire (S) est orientée vers ladite direction principale (P) de manière à ce que le jet secondaire (26) intercepte le jet principal (22) dans une zone (30) dite d'éclatement, et en ce que le débit du jet secondaire est au plus égal au débit du jet principal.
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 5 combustion d'un moteur. Plus particulièrement, elle se rapporte à un injecteur comprenant une tête qui présente une face extérieure 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 10 secondaire pour pulvériser un jet de carburant selon une direction dite secondaire.
Pour les moteurs à injection directe du carburant dans la chambre de combustion, il est nécessaire d'obtenir rapidement une pulvérisation bien contrôlée du jet de 15 carburant.
Pour cela, on a utilisé des injecteurs à effet tourbillonnaire, appelés "swirl injector" en anglais, dans lesquels le carburant est guidé selon un mouvement de tourbillon dans l'injecteur avant d'être pulvérisé. Ces 20 injecteurs permettent d'obtenir une bonne atomisation mais, outre leur cot 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 25 de commande de ces injecteurs. En pratique, il est difficile d'utiliser ces injecteurs avec une pression d'alimentation en carburant supérieure à 150 bar. De plus, ces injecteurs créent un jet faiblement directionnel avec une vitesse de pénétration dans la chambre relativement peu 30 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. 3 5
Pour ces moteurs, il est aussi connu d'utiliser des injecteurs multitrous 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 5 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 10 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 15 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 20 combustion avec une pulvérisation à efficience élevée et une certaine directionnalité, sans toutefois augmenter de manière conséquente le cot de l'injecteur.
A cet effet, l'invention a pour objet un injecteur de carburant du type précité, caractérisé en ce que la 25 direction secondaire est orientée vers la direction principale de manière à ce que le jet secondaire intercepte le jet principal dans une zone dite d'éclatement, et en ce que le débit du jet secondaire est, au plus, égal au débit du jet principal.
Grâce à cette disposition, à partir de la zone d'éclatement, le jet principal est au moins en partie animé d'une composante de vitesse radiale par rapport à la direction principale. On obtient donc à partir de cette zone d'éclatement une meilleure atomisation du jet 35 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 de manière connue par des trous cylindriques, n'entraîne pas un surcot 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 direction principale et la direction 10 secondaire forment un angle a compris entre 100 et 80 , et de préférence un angle de 250; - la zone d'éclatement débute à une distance d, mesurée selon la direction principale depuis la face extérieure de la tête, comprise entre 5 et 20 mm; - 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 20 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 25 entre elle un angle 8 compris entre 50 et 450, et dans lequel 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 30 sont des trous cylindriques débouchant perpendiculairement à la face extérieure de la tête; - la tête comporte une chambre d'injection avec laquelle communiquent directement l'orifice principal et l'orifice secondaire, et le diamètre de l'orifice 35 secondaire est inférieur au diamètre de l'orifice principal; - 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; - la portion concave présente une courbure continue; - la portion concave est formée d'au moins deux facettes, une première facette dans laquelle débouche un 10 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 15 l'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 20 pression présentant une valeur de crête comprise entre 150 et 500 bar; - 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 25 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.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va 30 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 l'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 10 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 15 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 20 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 25 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 il agencés dans la région du sommet Ga de la culasse. On notera toutefois que la présente invention est 30 également applicable à un moteur à allumage par compression de type diesel, et dans ce cas la bougie d'allumage 10 pourrait être remplacée par une bougie de préchauffage.
La cavité 6 de la culasse 7 comporte une lumière d'admission 14 à l'extrémité aval d'un conduit 35 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 5 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 YY. La tête 13 de l'injecteur présente une face extérieure agencée dans la chambre de combustion 5.
L'injecteur 12 est relié à une conduite 15 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 bar et qui correspond sensiblement à la pression à laquelle le 20 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 25 système d'injection de type injecteur-pompe dans lequel l'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 30 carburant, représenté schématiquement 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. Dans le mode de réalisation représenté l'orifice secondaire 25 communique aussi avec la chambre d'injection 24.
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 10 aiguille 28 depuis un siège 29 formé dans la tête 13 de l'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.
Selon l'invention, 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 schématiquement par le contour 30, 25 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 30 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 35 mélange de carburant avec les gaz contenus dans la chambre de combustion. Toutefois, comme le débit du jet 22 pulvérisé par l'orifice principal 21 est supérieur ou égal au débit du jet secondaire 26, on conserve une certaine directionalité pour le carburant injecté dans la chambre de 5 combustion et la vitesse de pénétration du carburant dans la chambre reste supérieure à celle que l'on peut obtenir avec un injecteur à effet tourbillonnaire.
On notera que pour obtenir un éclatement du jet principal 22, il n'est pas absolument nécessaire que la 10 direction secondaire S coupe exactement la direction principale P. en effet, étant donné le diamètre du jet de carburant principal et le diamètre du jet de carburant secondaire, on peut obtenir une interception plus ou moins totale des jets de carburant avec une direction secondaire 15 S légèrement décalée par rapport à la direction principale P. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, la direction principale P et la direction secondaire S forment entre elles un angle a d'environ 250. Toutefois, il 20 est possible de faire varier cet angle a 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, mais il est préférable que l'angle a reste compris entre 100 et 800.
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 de préférence comprise entre 5 et 20 mm pour obtenir un bon compromis entre la directionalité et l'éclatement du 30 jet principal 22.
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 peuvent 35 être réalisés à l'aide de techniques couramment employées comme le poinçonnage ou l'électroérosion.
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 5 moteur, la pression d'injection du carburant est nettement plus élevée, supérieure à 1 000 bar 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 10 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 20 S soit orientée vers la direction principale P. La portion concave 32 présente une courbure continue qui peut être obtenue par emboutissage.
Comme on peut le voir sur la figure 3 qui représente un deuxième mode de réalisation d'un injecteur 25 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 30 (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 35 principales Pa et Pb sont divergentes et forment entre elles un angle 8 d'environ 150. 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 8 entre les directions principales Pa et Pb de 5 à 450.
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 15 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 20 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 25 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 35 dans laquelle débouche perpendiculairement l'orifice 1l principal et deux facettes latérales dans lesquelles débouchent perpendiculairement les orifices secondaires.
Comme représenté sur la figure 1, l'injecteur réalisé selon l'invention est agencé dans un moteur à 5 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 de pénétration et l'atomisation du 10 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 o 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 20 à l'intérieur de la chambre de combustion pour obtenir une richesse comprise entre 0,7 et 1,2 à proximité des électrodes il 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 25 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 30 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, l'injecteur 12 peut être alimenté par une rampe commune 35 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 bar et 500 bar.
Claims (14)
1. Injecteur de carburant pour pulvériser du 5 carburant dans une chambre de combustion (5) d'un moteur, comprenant une tête (13) qui présente une face extérieure (20) 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 10 un orifice secondaire (25;25a; 25b) adapté pour pulvériser un jet de carburant selon une direction (S;Sa, Sb) dite secondaire, caractérisé en ce que ladite direction secondaire est orientée vers ladite direction principale de manière à ce que le jet secondaire (26) intercepte le jet 15 principal (22) dans une zone (30) dite d'éclatement, et en ce que le débit du jet secondaire est au plus égal au débit du jet principal.
2. Injecteur selon la revendication 1 dans lequel la direction principale (P;Pa,Pb) et la direction 20 secondaire (S;Sa,Sb) forment un angle a compris entre 100 et 800, et de préférence un angle de 250.
3. Injecteur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la zone d'éclatement (30) débute à une distance d, mesurée selon la direction principale 25 (P;Pa,Pb) depuis la face extérieure (20) de la tête, comprise entre 5 et 20 mm.
4. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle la tête (13) est munie d'au moins deux orifices secondaires (25a, 25b) qui sont 30 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 35 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 5 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 8 compris entre 50 et 450, et dans lequel chaque jet principal est intercepté par au moins deux jets secondaires 10 pulvérisés par des orifices secondaires (25a,25b) situés autour de l'orifice principal (21a,21b).
7. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel l'orifice principal (21;21a,21b) et l'orifice secondaire (25;25a,25b) sont des 15 trous cylindriques débouchant perpendiculairement à la face extérieure (20) de la tête.
8. Injecteur selon la revendication 7 dans lequel la tête (13) comporte une chambre d'injection (24) avec laquelle communiquent directement l'orifice principal 20 (21;21a,21b) et l'orifice secondaire (25;25a,25b), et dans lequel le diamètre de l'orifice secondaire est inférieur au diamètre de l'orifice principal.
9. Injecteur de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel la face extérieure 25 (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).
10. Injecteur selon la revendication 9 dans lequel la portion concave (32) présente une courbure continue.
11. Injecteur selon la revendication 10 dans lequel la portion concave (32a,32b) est formée d'au moins deux facettes, une première facette dans laquelle débouche un 35 orifice principal (21a,21b) et une facette secondaire dans laquelle débouche un orifice secondaire (25a,25b).
12. Utilisation d'un injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, avec un moteur à allumage commandé, dans laquelle l'injecteur (12) est 5 agencé de manière à pulvériser directement le carburant dans la chambre de combustion (5).
13. Utilisation d'un injecteur selon la revendication 12 dans laquelle l'injecteur (12) est alimenté en carburant sous une pression présentant une 10 valeur de crête comprise entre 150 et 500 bar.
14. Utilisation d'un injecteur selon la revendication 12 ou 13 dans lequel 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 15 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.
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