FR2925375A1 - Injecteur pour ejecter un fluide notamment dans une installation d'injection ou un systeme de gaz d'echappement et procede de realisation d'un tel injecteur - Google Patents

Injecteur pour ejecter un fluide notamment dans une installation d'injection ou un systeme de gaz d'echappement et procede de realisation d'un tel injecteur Download PDF

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Abstract

Injecteur pour éjecter un fluide notamment pour une installation d'injection de carburant ou un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant au moins un orifice d'éjection (18) réalisé dans un corps en matière céramique. On réalise l'orifice d'éjection avec une précision géométrique poussée, et des tolérances inférieures à 1 µm, pour obtenir un degré poussé de pulvérisation et un alignement reproductible du faisceau de fluide éjecté. L'orifice d'éjection (18) est découpé à l'aide d'un laser (20) émettant des impulsions de durée extrêmement faible de l'ordre de 0,01-100 ps dans le corps en matière céramique.

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un injecteur pour éjecter un fluide notamment pour une installation d'injection ou un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant au moins un orifice d'éjection réalisé dans un corps en matière céramique. L'invention concerne également un procédé pour la réalisation d'un tel injecteur. Etat de la technique Selon le document DE 10 2005 061 424 Al, un injecteur connu destiné à des installations d'injection de carburant de moteurs à combustion interne comporte un support de siège, tubulaire, en matière plastique dont l'extrémité inférieure, côté aval, reçoit un corps en matière céramique formant siège d'injecteur. La liaison entre le support de siège d'injecteur ou de soupape et le corps formant siège de soupape ou d'injecteur se fait par enfoncement de force ; une structure "en sapin" réalisée sur le corps de siège de soupape en matière céramique s'incruste dans la matière plastique du support de siège de soupape et s'y accroche. Le corps de siège de soupape comporte un siège de sou-pape entourant un orifice d'éjection coopérant avec un organe d'obtura- tion porté par l'aiguille d'injecteur entraînée contre la force de rappel exercée par le ressort de fermeture de l'injecteur pour fermer et pour libérer l'orifice d'éjection. En aval de l'orifice d'éjection, le corps formant siège de soupape est précédé d'un disque à trous d'éjection, en métal, comportant quatre orifices d'éjection réalisés par érosion ou emboutis- sage. Un injecteur connu DE 44 15 850 A à commande électromagnétique pour des installations d'injection de carburant dans des moteurs à combustion interne à compression de mélange et allumage commandé, comporte un support formant siège de soupape, tubulaire, en métal, soudé dans un boîtier d'injecteur. L'extrémité tubulaire ou-verte située côté aval du support formant siège de soupape reçoit un corps formant siège de soupape, de forme cylindrique, fixé par soudage. Le corps formant siège de soupape comporte deux orifices d'éjection. En amont des orifices d'éjection, le corps formant siège de soupape a un siège de soupape coopérant avec un organe d'obturation contre la force de rappel exercée par le ressort de fermeture de l'injecteur. Cet organe d'obturation à commande électromagnétique et porté par l'aiguille d'injecteur assure la fermeture et l'ouverture des orifices d'éjection. Selon un procédé connu pour réaliser des micro-trous d'une plage de dimensions inférieures à 150 m, à l'aide d'un faisceau laser, par exemple pour réaliser les buses d'injection de moteurs à combustion interne selon le document DE 199 05 571 Al se fait en réglant la géométrie du faisceau et/ou les paramètres du faisceau émis par un laser tel qu'un faisceau focalisé et la densité d'énergie pour obtenir une géométrie définie pour le trou. Le diamètre du trou est défini à son entrée par le diamètre de focalisation du faisceau laser focalisé sur la sur-face supérieure de la pièce ; la suite du tracé du trou ainsi que le diamètre à la sortie du trou s'influencent par la caustique du faisceau, l'intensité de l'impulsion laser et la qualité du faisceau. En plus, on fait subir au faisceau laser un mouvement de nutation en faisant tourner le faisceau laser avec une fréquence de rotation de façon que l'axe du faisceau décrive une surface conique et que le foyer soit guidé sur la pièce le long d'une trajectoire circulaire concentrique à l'axe de l'orifice. Selon le document DE 199 20 813 Al par un dispositif connu servant à enlever la matière d'une pièce à l'aide d'un faisceau laser, on améliore la qualité du perçage du faisceau laser arrivant sur la pièce en composant ce faisceau avec au moins deux types d'impulsions laser qui diffèrent par la longueur d'onde et/ou la durée d'impulsion et/ou l'intensité du faisceau et/ou l'intervalle entre les impulsions. Avec les impulsions laser de durée longue on réalise un enlèvement important de matière même pour une intensité faible du laser et on effectue ainsi un perçage rapide alors que les impulsions laser de durée d'impulsion plus courte, notamment avec une intensité plus élevée du laser, développent un plasma important qui élimine les dépôts de matière sur la paroi du perçage, ce qui améliore la précision du perçage. Les impulsions laser de types différents arrivent en alternance sur la pièce. Les deux types d'impulsions laser peuvent être générées avec un laser ou avec deux lasers distincts et on rassemble les faisceaux laser à l'aide d'un système optique. Dans ce dernier cas, on peut optimiser l'efficacité des deux lasers distincts, c'est-à-dire le laser assurant une vitesse de perçage importante et l'autre laser assurant une précision élevée du perçage. Le document DE 100 54 853 Al décrit un procédé pour réaliser un micro-trou dans une pièce métallique à l'aide d'un faisceau laser, selon lequel on compose le faisceau laser d'une succession de brèves impulsions ayant une durée d'impulsion constante très petite, de l'ordre de la nanoseconde. Le faisceau laser focalisé sur la pièce est dé-placé en continu sur une trajectoire circulaire concentrique à l'axe du trou et en plus on lui fait subir une rotation autour de l'axe du faisceau.
Pour avoir un trou présentant une conicité définie, avec une section croissante en direction de la sortie du trou, on modifie la position du foyer du faisceau laser par rapport à la surface de la pièce dans la direction axiale du trou et/ou on réduit le coefficient de focalisation et/ou on augmente l'énergie des impulsions à mesure que la profondeur de péné- tration du faisceau laser progresse dans la pièce. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un injecteur du type défi-ni ci-dessus caractérisé en ce que on découpe au moins un orifice d'éjection à l'aide d'un laser émettant des impulsions de durée extré- meurent faible dans le corps en matière céramique. Cet invention pré-sente l'avantage qu'en réalisant au moins un orifice d'éjection dans un corps en matière céramique, cet injecteur convient pour éjecter de manière dosée des solutions aqueuses d'agent réducteur telles que des solutions d'urée (Add Blue, marque déposée) ou des solutions aqueuses d'urée avec du formiate d'ammonium (Denoxium marque déposée) pour le traitement des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, car d'une part, contrairement à un corps en métal, le corps en matière céramique résiste à l'oxydation et aux acides et, d'autre part, les cris-taux d'urée qui perturbent le fonctionnement s'accrochent moins à la surface de la matière céramique. En découpant au moins un orifice d'éjection à l'aide d'un faisceau laser à impulsions extrêmement cour-tes, c'est-à-dire un faisceau laser à impulsions ultracourtes (ou faisceau de laser UKP), l'orifice d'éjection aura une géométrie extrêmement précise avec des tolérances inférieures à 1 m, particulièrement importan- tes pour réaliser un degré de pulvérisation poussé et un alignement extrêmement précis du faisceau de fluide éjecté. La structure de la sur-face de la paroi de l'orifice d'éjection réalisé par découpe au laser à impulsions extrêmement courtes, en combinaison avec la forme d'arête vive de l'orifice de sortie de l'orifice d'éjection sont pour beaucoup dans ce résultat. Il n'est pas nécessaire de prévoir un usinage de finition de l'orifice d'éjection ainsi réalisé. On évite également une opération d'ébarbage coûteuse des bords du perçage. L'orifice d'éjection peut se fabriquer avec n'importe quelle forme et n'importe quelle direction. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'in- vention : - l'orifice d'éjection est découpé avec une durée d'impulsion laser comprise entre 0,01 et 100 ps et de préférence entre 0,1 et 20 ps, - la surface de la paroi entourant l'orifice d'éjection, découpé, a une structure fine dans le domaine du micron ou dans le domaine inférieur au micron, en fonction de la longueur d'onde et de la polarisation du laser, - la structure fine est combinée à une structure grossière de l'ordre du micron, - les arêtes entourant l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie d'au moins un orifice d'éjection sont à arêtes vives et sans bavure, - le corps en matière céramique est un corps formant siège de soupape logé dans un support de siège de soupape et sur lequel on a réalisé un siège de soupape coopérant avec un organe d'obturation de soupape pour fermer et libérer au moins un orifice d'éjection, - le corps en matière céramique est un disque à orifices d'éjection, installé en aval d'un orifice de soupape dans un corps formant siège de soupape comportant l'orifice de soupape, avec un siège de soupape entourant l'orifice de soupape, ce siège coopérant avec un organe d'obturation de soupape pour fermer et pour libérer l'orifice de soupape, - le corps en matière céramique est fabriqué selon le procédé CIM (moulage par injection de matière céramique). L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel orifice d'éjection dans un corps en matière céramique caractérisé en ce que on découpe l'orifice d'éjection avec un laser dans le corps en matière céramique, le laser émettant des impulsions de durée extrêmement courte. Suivant une autre caractéristique du procédé on règle les impulsions du laser à une durée d'impulsion qui se situe dans une plage comprise entre 0,01 et 100 ps et de préférence entre 0,1 et 20 ps. Suivant une autre caractéristique du procédé la découpe par laser se fait de manière alternée avec des périodes de découpe au cours desquelles on produit des impulsions laser de durée d'impulsion courte et de densité d'énergie inférieure à quelque 10J/cm2 et avec des périodes de découpe au cours desquelles on produit des impulsions laser de durée d'impulsion plus grande et de plus forte densité d'énergie. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une partie d'un injecteur pour une installation d'injection de carburant d'un moteur à combustion interne. -la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 montrant une variante d'injecteur. - la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif de découpe par laser pour expliciter le procédé de fabrication d'un orifice d'éjection dans une pièce ou corps en matière céramique. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une partie d'un injecteur représenté en coupe pour éjecter un fluide, par exemple pour injecter du carburant dans la tubulure d'admission pour la préparation du mélange d'une installation d'injection de carburant d'un moteur à combustion interne. Mais on peut également utiliser cet injecteur ou soupape d'injection pour injecter de façon dosée des solutions aqueuses d'urée, telles que des produits "Add Blue" et "Denoxium" (marques déposées) dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, pour réduire les oxydes d'azote chargeant les gaz d'échappement. La soupape d'injection comporte un support de soupape 11 en matière plastique dont l'extré- mité située en aval est munie d'un corps de siège de soupape 12 en ma- tière céramique. Pour fixer le corps formant siège de soupape 12 de manière bloquée en rotation et dans la direction axiale, dans le support de siège de soupape 11, le corps formant siège de soupape 12 est muni d'une structure en "sapin" et est enfoncé de force dans le support de siège de soupape 11 ; la structure en sapin s'incruste ainsi dans la matière plastique du support de siège de soupape 11. En position centrale du corps formant siège de soupape 12, il est prévu un orifice de sou-pape 13 entouré par un siège de soupape 14 de forme conique. Le siège de soupape 14 coopère avec un organe d'obturation 15 pour fermer ou ouvrir l'orifice de soupape 13. L'organe d'obturation 15 est fixé à l'extrémité inférieure d'une aiguille d'injecteur 16 soumise à l'action d'un ressort de fermeture de soupape non représenté, poussant l'organe d'obturation 15 sur le siège de soupape 14. L'aiguille d'injecteur 16 est commandé par un moyen électromagnétique, piézoélectrique ou magnétostrictif pour sou- lever l'organe d'obturation 15 contre la force développée par le ressort de fermeture de soupape et l'écarter plus ou moins du siège de soupape 14. En aval de l'orifice de soupape 13, l'organe formant siège de sou-pape 12 est précédé d'un disque à trous d'éjection 17 comportant plu- sieurs orifices ou trous d'éjection 18 dans la région de l'ouverture de soupape 13 ; la figure 1 montre deux orifices d'éjection 18. Le disque à orifices d'éjection 17 est fabriqué en matière céramique ; il est formé entre une extrémité du support de siège de soupape 11, avec une collerette venant radialement en saillie vers l'intérieur et par une surface frontale tournée vers la collerette de l'organe formant siège de soupape 12. Les orifices d'éjection 18 peuvent avoir n'importe quelle forme de section et des variantes de section dans le sens de la longueur des orifices, par exemple une cognicité. L'injecteur représenté figure 2 en coupe longitudinale partielle avec son segment d'extrémité se distingue de l'injecteur décrit ci-dessus uniquement en ce que les orifices d'éjection 18 sont transférés au corps formant siège de soupape 12, en matière céramique et il n'y a pas de disque à orifice d'éjection 17, particulier. Le support de siège de soupape 11 de l'exemple de réalisation représenté est en métal mais il peut également être fabriqué en matière plastique comme à la figure 1.
Pour le reste, les deux injecteurs ont la même construction de sorte que les mêmes composants porteront les mêmes références. A la fois le disque à orifices, en matière céramique, selon la figure 1, et aussi le corps formant siège de soupape 12 en matière céramique de la figure 2 comportent des orifices d'éjection 18 découpés à l'aide d'un laser à impulsions ultracourtes suivant une forme souhaitée. Le laser à impulsions ultracourtes est un laser émettant des impulsions d'une durée extrêmement réduite. La durée des impulsions laser se situe dans ce cas dans une plage comprise entre 0,01 ps jusqu'à 100 ps (picosecondes) et on choisit de préférence une plage entre 0,1 et 20 ps. A l'aide d'un tel laser à impulsions ultracourtes, lorsqu'on coupe les orifices d'éjection 18 dans le disque à orifice d'éjection 17 en matière céramique ou dans le corps formant siège de soupape 12 en matière céramique, on réalise une surface supérieure de la paroi perforée qui pré- sente une structure fine homogène dans la plage du micron ou une plage inférieure à celle du micron en fonction de la longueur d'onde et de la polarisation du laser. Les arêtes entourant les orifices d'entrée et de sortie des orifices d'éjection 18 sont à arêtes vives et sans bavure ; ainsi elles ne gênent pas la direction d'éjection et l'étalement des fais- ceaux de fluides en éventail sortant des orifices d'éjection 18. De plus, comme on évite les barbes qui pourraient, le cas échéant, venir en saillie dans la section d'écoulement de l'orifice d'éjection 18, on reproduit de manière précise le coefficient de débit des orifices d'éjection 18. Par une conduite appropriée du procédé de découpe par laser, on peut combiner à la structure fine de la paroi perforée des orifices laser 18 au moins une structure grossière dans la plage des microns. Grâce à cette structure grossière, on influence le débit de fluide traversant les orifices d'éjection 18. Par une microstructure de forme appropriée, on peut par exemple diminuer la perte de charge engendrée par un orifice d'éjection 18, produire un décrochage de la veine à un endroit défini de la paroi perforée ou encore générer des composantes d'écoulement tangentiel. Cela permet également un réglage défini du coefficient d'écoulement de l'orifice d'éjection 18. La figure 3 montre un dispositif pour découper les orifi- ces d'éjection 18 sous la forme d'une représentation schématique. Le dispositif comprend un laser 20 dont le faisceau 21 est dirigé par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi 22 et d'une optique de focalisation 23 sur l'emplacement du disque 17 à perforation, en matière céramique, dans lequel on veut découper un orifice d'éjection 18. Le faisceau laser 21 composé d'impulsions laser ultracourtes est focalisé sur la surface du disque à orifices d'éjection 17. Les impulsions laser enlèvent la matière céramique du disque à orifices d'éjection 17 par de petites étapes et pratiquement en phase gazeuse ; la progression du perçage se fait le long de la paroi de l'orifice d'éjection 18 en cours de réalisation. Selon un mode de réalisation préférentielle du procédé, on fait alterner une période de découpe avec les impulsions laser de durée extrêmement courte et une faible densité d'énergie de moins de 10 J/cm2 avec une période de coupe au cours de laquelle les impulsions laser sont générées avec une durée d'impulsion plus longue et une densité d'énergie plus forte. Une combinaison avantageuse des deux périodes de découpe permet d'obtenir rapidement une grande qualité et une précision élevée pour l'orifice d'éjection 18. Le disque à orifices d'éjection 17, en matière céramique, réalisé selon les figures 1 et 3 et le corps formant siège de soupape en céramique 12 de la figure 2 sont de préférence réalisés selon le procédé CIM (moulage par injection de matières céramiques).25

Claims (11)

REVENDICATIONS
1°) Injecteur pour éjecter un fluide notamment pour une installation d'injection ou un système de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant au moins un orifice d'éjection (18) réalisé dans un corps en matière céramique, caractérisé en ce qu' on découpe au moins un orifice d'éjection (18) à l'aide d'un laser (20) émettant des impulsions de durée extrêmement faible dans le corps en matière céramique.
2°) Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice d'éjection (18) est découpé avec une durée d'impulsion laser comprise entre 0,01 et 100 ps et de préférence entre 0,1 et 20 ps.
3°) Injecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface de la paroi entourant l'orifice d'éjection (18), découpé, a une structure fine dans le domaine du micron ou dans le domaine inférieur au micron, en fonction de la longueur d'onde et de la polarisation du laser (20).
4°) Injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure fine est combinée à une structure grossière de l'ordre du micron.
5°) Injecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les arêtes entourant l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie d'au moins un orifice d'éjection sont à arêtes vives et sans bavure.
6°) Injecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce quele corps en matière céramique est un corps formant siège de soupape (12) logé dans un support de siège de soupape (11) et sur lequel on a réalisé un siège de soupape (14) coopérant avec un organe d'obturation de soupape pour fermer et libérer au moins un orifice d'éjection (18).
7°) Injecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le corps en matière céramique est un disque (17) à orifices d'éjection, installé en aval d'un orifice de soupape (13) dans un corps formant siège de soupape (12) comportant l'orifice de soupape (13), avec un siège de soupape (14) entourant l'orifice de soupape (13), ce siège coopérant avec un organe d'obturation de soupape pour fermer et pour libérer l'orifice de soupape (13).
8°) Injecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps en matière céramique est fabriqué selon le procédé CIM (moulage par injection de matière céramique).
9°) Procédé de fabrication d'un orifice d'éjection (18) dans un corps en matière céramique, notamment dans un corps formant siège de sou-pape (12) ou dans un disque à orifices d'éjection (17) d'un injecteur, caractérisé en ce qu' on découpe l'orifice d'éjection (18) avec un laser (20) dans le corps en 25 matière céramique, le laser émettant des impulsions de durée extrême-ment courte.
10°) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' 30 on règle les impulsions du laser (20) à une durée d'impulsion qui se si-tue dans une plage comprise entre 0,01 et 100 ps et de préférence entre 0,1 et 20 ps.
11 °) Procédé selon la revendication 9 ou 10, 35 caractérisé en ce que 2925375 Il la découpe par laser se fait de manière alternée avec des périodes de découpe au cours desquelles on produit des impulsions laser de durée d'impulsion courte et de densité d'énergie inférieure à quelque 10J/cm2 et avec des périodes de découpe au cours desquelles on produit des im- 5 pulsions laser de durée d'impulsion plus grande et de plus forte densité d'énergie. io
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