FR2860558A1 - Injecteur de moteur a combustion interne pour vehicule comprenant une buse munie d'un orifice externe - Google Patents

Abstract

L'injecteur de moteur à combustion interne pour véhicule, comprend une buse (4) présentant au moins un orifice externe (30) s'étendant à distance d'un axe central (6) de la buse. La buse présente en outre au moins une ouverture externe (40) non identique à l'orifice ou s'étendant à une distance de l'axe (6) différente de la distance de l'orifice à l'axe.

Description

L'invention concerne les injecteurs de moteur à combustion interne pour

véhicule. Elle concerne en particulier les injecteurs pour moteurs diesel et notamment ceux associés à une combustion homogène précoce dénommée par ailleurs homogeneus combustion compression ignition

dite HCCI.

On rappelle que la combustion homogène nécessite l'injection du carburant très tôt dans le cycle de compression. On rappelle aussi que le débit hydraulique est la valeur du débit de carburant obtenue en pleine levée d'aiguille sous 100.105 Pa de pression pendant 30 secondes. Ce débit peut rendre compte du compromis performance contre dépollution pour un moteur diesel à injection directe et représente l'une des caractéristiques essentielles de l'injecteur. Dans les injecteurs à orifices circulaires, le nombre des orifices et leur diamètre dépendent du compromis dépollution contre performance visée. En effet, l'augmentation du débit hydraulique se fait par variation du nombre et du diamètre des orifices.

En première approximation, en délaissant les prestations de dépollution, on peut considérer que, en combustion classique, plus le débit hydraulique est élevé, plus le moteur sera performant en pleine charge. En combustion homogène, en revanche, l'augmentation du débit hydraulique n'est plus aussi bien corrélée avec le niveau de performance souhaité mais répond à une contrainte forte: il faut injecter le carburant dans un temps très court pour permettre la formation du mélange air-carburant. Cette injection doit aussi se garder d'impacter les parois du cylindre pour ne pas diluer avec du carburant le film d'huile qui les recouvre. La pénétration du carburant dans la chambre doit donc être minimisée.

La combustion homogène, même si son principe date de plus de 30 ans, ne suscite de l'intérêt de la part des constructeurs que depuis quelques années en raison des contraintes croissantes de dépollution. En effet, jusqu'à présent, on s'est pour l'essentiel limité à adapter des injecteurs classiques de type common rail .

Le document WO 96/19 661 divulgue par exemple un injecteur à orifices externes circulaires.

Les injecteurs de type common rail multi-orifices présentent l'avantage d'être appropriés au fonctionnement du moteur en pleine charge mais imposent des contraintes techniques pour l'élaboration de la combustion HCCI. Ce type de combustion nécessite en effet une formation du mélange air-carburant très aboutie pour tirer de sensibles avantages sur le compromis NOX IOF, compromis qui rend compte quantitativement des émissions de particules et d'oxyde d'azote.

Pour réaliser un tel niveau de mélange, l'injection doit se faire très tôt dans le cycle de compression, à savoir de 90 à 50 vil avant le point mort haut (PMH). L'injecteur de type common rail est doté de petits orifices permettant de pulvériser le carburant et d'atteindre des tailles de goutte suffisamment petites pour limiter les émissions de particules. La structure des jets de carburant associés aux petits orifices et à la forte pression d'injection fait que la pénétration du carburant dans la chambre de combustion est très importante lorsque la pression des gaz (air et gaz d'échappement recirculés EGR) est faible, par exemple inférieure à 10 ou 15 bars. La pression des gaz se trouvant dans la chambre de combustion est justement faible lorsque l'on veut injecter précocement (50 vil avant le point mort haut) pour faire de la combustion homogène. Si la pénétration des jets dans la chambre est excessive, il se produit des impacts du carburant sur les parois du cylindre. Or, ces dernières doivent rester correctement lubrifiées pour ne pas gripper ni casser le moteur.

Par conséquent, on préfère effectuer un nombre important d'injections successives. Mais ce nombre important d'injections est contraignant en termes de technologie d'injecteur (faisabilité et fiabilité) et en termes de pilotage par le calculateur (le nombre d'événements à gérer est élevé, ce qui nécessite une grande capacité de mémoire, une cadence d'horloge augmentée et un refroidissement pour limiter la surchauffe).

Un but de l'invention est d'augmenter le débit hydraulique sans nuire au fonctionnement du moteur ni abaisser les performances de dépollution, notamment pour améliorer le déroulement de la combustion homogène.

A cet effet, on prévoit selon l'invention un injecteur de moteur à combustion interne pour véhicule, comprenant une buse présentant au moins un orifice externe s'étendant à distance d'un axe central de la buse, la buse présentant en outre au moins une ouverture externe non identique à l'orifice ou s'étendant à une distance de l'axe différente de la distance de l'orifice à l'axe.

Ainsi, la ou les ouvertures externes permettent d'augmenter le débit hydraulique dans le moteur.

L'injecteur selon l'invention pourra en outre présenter au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes: - il présente au moins deux orifices externes identiques entre eux et s'étendant à une même distance de l'axe; - l'ouverture ou au moins l'une des ouvertures a une forme circulaire; - l'ouverture ou au moins l'une des ouvertures s'étend dans l'axe; - l'ouverture ou au moins l'une des ouvertures a une forme allongée; - l'ouverture ou au moins l'une des ouvertures a une largeur constante; - l'ouverture ou au moins l'une des ouvertures a une forme en arc de cercle; - la ou au moins l'une des ouvertures a une forme rectiligne; - la ou au moins l'une des ouvertures s'étend suivant une direction radiale à l'axe; - l'ouverture est unique; - il présente au moins deux ouvertures externes; - les ouvertures sont au moins au nombre de deux, ont une forme en arc de cercle et définissent un cercle; - les ouvertures ou au moins deux des ouvertures sont identiques entre elles; les ouvertures ou au moins deux des ouvertures s'étendent à une même distance de l'axe; - il comprend un obturateur monté mobile par rapport à la buse pour obturer le ou chaque orifice et la ou chaque ouverture; - il est agencé de sorte que l'obturateur peut occuper une position dans laquelle il obture la ou chaque ouverture sans obturer le ou chaque orifice; - il est agencé de sorte que l'obturateur peut occuper une position dans laquelle il obture le ou chaque orifice sans obturer la ou chaque ouverture; et - il est agencé de sorte que l'obturateur obture le ou chaque orifice lorsqu'il obture la ou chaque ouverture, et inversement.

On prévoit également selon l'invention un moteur à combustion interne pour véhicule comprenant au moins un injecteur selon l'invention.

On prévoit enfin selon l'invention un véhicule comprenant un moteur selon l'invention.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante de trois modes préférés de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un injecteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, la coupe étant réalisée suivant le plan 1-1 de la figure 2; - la figure 2 est une vue axiale d'extrémité de l'injecteur de la figure 1; - les figures 3 et 4 sont deux vues analogues aux figures 2 et 1 respectivement et illustrent un deuxième mode de réalisation; et - les figures 5 et 6 sont des figures analogues aux figures 3 et 4 illustrant un troisième mode de réalisation.

Dans les trois modes de réalisation qui vont être décrits ci-après, l'injecteur est à chaque fois un injecteur d'un moteur à combustion interne pour véhicule automobile. Le moteur est un moteur diesel fonctionnant en combustion homogène.

En référence aux figures 1 et 2, dans le premier mode de réalisation, l'injecteur 2 comprend une buse 4 ayant un axe central principal 6 et définissant une chambre interne 8. Sur l'extrémité de la buse illustrée aux figures, la paroi de la buse présente une face externe 10 de forme cylindrique, une face 12 de forme tronconique allant en se rétrécissant à partir de la face cylindrique et une face plane d'extrémité terminale 14 s'étendant à l'extrémité la plus étroite du tronc de cône et perpendiculaire à l'axe 6. Les faces 10 et 12 sont coaxiales à l'axe 6.

L'injecteur 2 comprend également un obturateur 16 ou aiguille logé coaxialement dans la chambre 8. L'obturateur 16 d'une façon connue en ellemême est monté mobile à translation suivant la direction de l'axe 6 par rapport à la buse 4.

La buse 4 présente une face interne 15 de forme tronconique d'axe 6 et présentant le même angle d'ouverture que la face 12.

L'obturateur 16 présente une face externe tronconique 18 s'étendant en regard de la face tronconique 15, une face cylindrique 20 s'étendant à partir de la section la plus étroite de la face tronconique 18, une deuxième face tronconique 22 allant en se rétrécissant à partir de l'extrémité de la face cylindrique 20, et enfin une troisième face tronconique 24 allant en s'élargissant à partir de la section la plus étroite de la face tronconique 22. L'obturateur 6 présente une extrémité terminale formée par une face plané 26 s'étendant perpendiculairement à l'axe 6. Toutes les faces de l'obturateur 16 sont centrées sur l'axe 6.

La face tronconique 12 de la buse présente en l'espèce plusieurs orifices externes 30. Ces orifices sont ici au nombre de 6. Les orifices ont même forme ovale et mêmes dimensions de sorte qu'ils sont superposables les uns aux autres. Les orifices sont uniformément répartis autour de l'axe 6 sur un même cercle géométrique 32. Le grand axe de l'ovale a une orientation radiale par rapport à l'axe 6 pour chaque orifice.

Chaque orifice constitue en fait l'extrémité externe d'un conduit respectif 34 mettant en communication la chambre interne 8 avec l'extérieur de l'injecteur. Chaque conduit 34 a une forme allongée rectiligne présentant en section transversale un profil identique à la forme de l'orifice.

La buse 4 présente en outre une ouverture circulaire 40 centrée sur l'axe 6. Cette ouverture constitue l'extrémité d'un conduit 42 mettant lui aussi en communication la chambre interne 8 avec l'extérieur de la buse. Ce conduit a une forme cylindrique à section transversale circulaire.

Lorsque l'obturateur 16 occupe sa position la plus basse par rapport à la buse 4 sur la figure 1, sa face tronconique 18 réalise un contact surfacique avec la face tronconique 15 de la buse, les deux cônes ayant même angle d'ouverture. Les conduits 34 sont donc obturés. Dans cette position, le conduit 42 est occupé par les faces 20, 22 et 24 de l'obturateur 16. Dans cette position, le mélange air-carburant présent dans la chambre 8 lors du fonctionnement du moteur ne peut s'échapper ni par les orifices 34, ni par l'ouverture 40.

Lorsque l'obturateur 16 est dans sa position reculée, le contact cesse entre les faces 15 et 18 permettant l'échappement du mélange à travers les orifices 30 et l'ouverture 40.

L'ouverture 40 définit en coopération avec la face 24 de l'obturateur un passage pour le mélange air-carburant qui a une superficie supérieure ou égale à au moins deux ou trois fois la superficie de chaque orifice 30. Le diamètre de l'ouverture 40 sera par exemple égal à deux ou trois fois la longueur du grand axe des orifices 30.

La forme et les dimensions de l'ouverture 40 sont différentes de celles des orifices 30. La distance de l'ouverture 40 à l'axe 6 est nulle tandis que celle de chaque orifice 30 à l'axe est non nulle.

Dans le présent exemple, l'obturateur 16 obture les orifices 30 lorsqu'il obture l'ouverture 40 et inversement. Dans l'exemple qui vient d'être décrit, l'injection à nappe et l'injection par les orifices 30 ne peuvent donc pas être découplées.

Comme on le voit, cet injecteur est composé de deux moyens d'injection radicalement différents. D'une part, l'ensemble des orifices 30 permet de garder de bonnes prestations en pleine charge. D'autre part, l'ouverture 40 reprend la technologie des injecteurs à téton (injection à nappe) utilisée pour les moteurs à injection indirecte. L'injection à nappe semble mieux appropriée à la formation d'un pré-mélange de qualité puisqu'un débit de carburant relativement élevé peut être injecté sans pour autant impacter les parois du cylindre. Néanmoins, la qualité de la pulvérisation attachée à l'injection à nappe est moins bonne que la qualité de celle attachée à l'injection par les orifices 30. Toutefois, le délai d'auto inflammation très important de la combustion homogène relègue cet inconvénient au second plan et permet d'obtenir un bon pré- mélange même si la pulvérisation du carburant n'est pas très bonne.

Il sera dans ce cas avantageux de quantifier les dégradations en niveaux de performance pour dimensionner au mieux le débit hydraulique attaché à l'ouverture 40. On pourra en particulier choisir convenablement le débit hydraulique et l'angle de nappe attaché à l'injection par l'orifice 40.

En variante, on peut envisager de découpler les deux modes d'injection (par les orifices 30 et par l'ouverture 40). Ainsi, l'injection pourra se faire dans certaines conditions par les orifices 30 seuls ou au contraire par l'ouverture 40 seule. On pourra ainsi envisager de mettre en oeuvre une injection étagée ou une injection à deux levées suivant des techniques qui sont connues en elles-mêmes. L'injection à nappe par l'ouverture 40 sera alors dédiée à la dépollution pour oeuvrer à la combustion homogène tandis que l'injection par les orifices 30 sera dédiée au reste du champ moteur et tout particulièrement à la courbe de pleine charge.

Le trou à tétons 40 a pour avantage d'être très perméable. II a cependant pour inconvénient de dégrader considérablement la qualité de pulvérisation du carburant. Son autre inconvénient est son manque de souplesse car son implantation est obligatoirement en bout de buse avec une orientation axiale.

Un deuxième mode de réalisation de l'injecteur selon l'invention est illustré aux figures 3 et 4. Les éléments identiques ou similaires à ceux des figures 1 et 2 portent les mêmes références et ne seront pas nécessairement à nouveau décrits en détail.

Cette fois, l'obturateur 116 présente une face tronconique 117 à laquelle fait suite une face tronconique 118 qui présente un angle d'ouverture plus grand que l'angle d'ouverture de la face 117. La face 118 s'étend sensiblement jusqu'à l'extrémité terminale de l'obturateur 116. La face tronconique 115 de la buse 104 présente un angle d'ouverture identique à celui de la face 118.

La face tronconique externe 112 de la buse 104 présente à nouveau comme dans le premier mode de réalisation six orifices 130 disposés comme précédemment et constituant l'extrémité débouchante de six conduits 134.

Les axes des conduits 134 définissent un cône géométrique présentant un angle au sommet a.

La buse 104 présente en outre plusieurs ouvertures externes 140 qui sont en l'espèce au nombre de six. Les ouvertures 140 ont dans le présent exemple une forme allongée en arc de cercle. Elles sont disposées sur la face 112 pour définir un unique cercle centré sur l'axe 6. Les ouvertures 140 occupent une section de la face tronconique 112 plus large que la section occupée par les orifices 130. Les ouvertures 140 sont identiques entre elles. Elle ont chacune une largeur constante. Elles sont uniformément réparties autour de l'axe 6. Elles sont disposées de sorte que le milieu de chaque ouverture 140 s'étend en regard, suivant la direction radiale à l'axe 6, de l'un respectif des orifices 130.

Les ouvertures 140 forment l'extrémité débouchante de conduits respectifs 142 s'étendant dans la paroi de la buse 104 pour mettre en communication la chambre 8 avec l'extérieur de la buse. Chacun de ces conduits a la forme d'une portion de tronc de cône. Ils définissent ensemble un cône géométrique ayant un angle au sommet d'une valeur Fi en l'espèce légèrement plus grande que la valeur de l'angle a.

Lorsque l'obturateur 116 occupe la position la plus basse, le contact surfacique de la face 118 avec la face 115 obture tous les conduits 134 et 142 pour interdire le passage du gaz compris dans la chambre 8 vers l'extérieur de la buse.

En revanche, lorsque l'obturateur est reculé et que ce contact cesse, le mélange gazeux peut s'échapper par les orifices 130 et les ouvertures 140 simultanément.

A nouveau, on observe que les ouvertures 140 ne sont pas identiques aux orifices 130. De même, les ouvertures 140 et les orifices 130 ne sont pas à la même distance de l'axe.

Un autre mode de réalisation est illustré aux figures 5 et 6.

Les orifices 230 ont une disposition semblable à celle des précédents modes de réalisation à ceci près que c'est cette fois le petit axe de l'ovale qui s'étend suivant la direction radiale à l'axe 6.

La buse présente à nouveau des ouvertures 240 au nombre de 6. Celles-ci ont cependant maintenant une forme allongée rectiligne. Chaque ouverture est disposée suivant une direction radiale à l'axe 6. Chaque ouverture constitue l'extrémité débouchante d'un conduit 242 de forme plane et s'étendant dans un plan radial à l'axe 6. Les ouvertures 240 ont donc une disposition en étoile. Comme précédemment, elles sont uniformément réparties autour de l'axe 6 et sont symétriques les unes des autres deux à deux par rapport à cet axe.

Le cercle défini géométriquement par les orifices 230 est intercepté par les ouvertures 240.

Comme précédemment, dans la position la plus basse de l'obturateur sur la figure 6, le contact surfacique des faces tronconiques 215 et 218 provoque l'obturation des conduits 242 et 234 et interdit la sortie du mélange gazeux compris dans la chambre 8 hors de la buse. Lorsque l'obturateur est reculé, ce mélange peut s'échapper simultanément à travers les orifices 230 et les ouvertures 240.

Encore une fois, les ouvertures 240 ne sont pas identiques aux orifices 230, ni situées à la même distance de l'axe que ceux-ci.

Dans ces deux derniers modes de réalisation, les ouvertures 140 et 240, ou lumières, ont l'avantage de pouvoir augmenter le débit de la buse de façon sensible sans pour autant trop dégrader la qualité de la pulvérisation du carburant. Rappelons que même si l'injection est très précoce pour avoir assez de temps pour la préparation du mélange, une bonne pulvérisation est toujours souhaitable pour les forts niveaux de charge. II s'ensuite que la pénétration du carburant dans la chambre de combustion est de ce fait bien moins importante qu'avec des orifices à iso débit hydraulique et iso quantité injectée.

Les orifices 30, 130, 230 permettent d'augmenter le débit hydraulique avec une bonne prestation de pulvérisation des jets et une grande souplesse d'implantation. On peut en particulier modifier leur taille, leur forme, leur disposition, l'angle de nappe etc. De nombreuses configurations sont réalisables.

Dans le présent exemple, les orifices 130, 230 et les ouvertures 140, 240 fonctionnent toujours en même temps, ce qui permet d'améliorer la pulvérisation du carburant à iso débit hydraulique.

On pourrait cependant imaginer en variante de doter l'injecteur d'un mécanisme à double levée suivant une technique connue en elle-même. Cela permettrait de découvrir les orifices 130, 230 indépendamment des ouvertures 140, 240, précédemment à celles-ci. Dans ce cas, on pourrait prévoir que seuls les orifices sont utilisés en pleine charge, ce qui garantirait ainsi de bons niveaux de performance pour une même limite d'émission de fumée.

Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. On pourra ainsi modifier le nombre des ouvertures externes, leur forme, leurs dimensions, ou leur disposition. Elles pourront ainsi avoir un aspect radial, hélicoïdal, circulaire, etc.

Claims (1)

11 REVENDICATIONS

1. Injecteur de moteur à combustion interne pour véhicule, comprenant une buse (4; 104; 204) présentant au moins un orifice externe (30; 130; 230) s'étendant à distance d'un axe central (6) de la buse, caractérisé en ce que la buse présente en outre au moins une ouverture externe (40; 140; 240) non identique à l'orifice ou s'étendant à une distance de l'axe (6) différente de la distance de l'orifice à l'axe.

2. Injecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il présente au moins deux orifices externes (30; 130; 230) identiques entre eux et s'étendant à une même distance de l'axe.

3. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture (40) ou au moins l'une des ouvertures a une forme circulaire.

4. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture (40) ou au moins l'une des ouvertures s'étend dans l'axe.

5. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture ou au moins l'une (140; 240) des ouvertures a une forme allongée.

6. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture ou au moins l'une (140; 240) des ouvertures a une largeur constante.

7. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture ou au moins l'une (240) des ouvertures a une forme en arc de cercle.

8. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou au moins l'une (240) des ouvertures a une forme rectiligne.

9. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou au moins l'une (240) des ouvertures s'étend suivant une direction radiale à l'axe.

10. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture (40) est unique.

11. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il présente au moins deux ouvertures externes (140; 240).

12. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et 11, caractérisé en ce que les ouvertures sont au moins au nombre de deux, ont une forme en arc de cercle et définissent un cercle.

13. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et 11 à 25 12, caractérisé en ce que les ouvertures (140; 240) ou au moins deux des ouvertures sont identiques entre elles.

14. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 et 11 à 13, caractérisé en ce que les ouvertures (140; 240) ou au moins deux des 30 ouvertures s'étendent à une même distance de l'axe.

15. Injecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un obturateur (16; 116; 216) monté mobile par rapport à la buse pour obturer le ou chaque orifice et la ou chaque ouverture.

16. Injecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est agencé de sorte que l'obturateur peut occuper une position dans laquelle il obture la ou chaque ouverture sans obturer le ou chaque orifice.

17. Injecteur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est agencé de sorte que l'obturateur peut occuper une position dans laquelle il obture le ou chaque orifice sans obturer la ou chaque ouverture.

18. Injecteur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est 15 agencé de sorte que l'obturateur obture le ou chaque orifice (30; 130; 230) lorsqu'il obture la ou chaque ouverture (40; 140; 240), et inversement.

19. Moteur à combustion interne pour véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un injecteur selon l'une quelconque des 20 revendications précédentes.

20. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moteur est un moteur diesel.

21. Moteur selon l'une quelconque des revendications 19 à 20, caractérisé en ce que le moteur est agencé pour mettre en oeuvre une combustion homogène.

22. Véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un moteur selon l'une 30 quelconque des revendications 19 à 21.