FR2934649A1 - Dispositif d'injection de carburant dans une chambre de combustion d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'injection de carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne, comportant un piston de commande de l'aiguille d'obturation d'une buse d'injection, ce piston de commande fermant une chambre de commande (32) alimentée en carburant à haute pression par au moins un gicleur d'entrée (32A) et débouchant sur au moins un gicleur de sortie. Selon l'invention, l'un au moins desdits gicleurs d'entrée (32A) et de sortie présente une section de passage du carburant variable.

Description

1 DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'injection de carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne comportant un piston de commande d'une aiguille d'obturation d'une buse d'injection, ce piston de commande fermant une chambre de commande alimentée en carburant à haute pression par au moins un gicleur d'entrée et débouchant sur au moins un gicleur de sortie. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un moteur à combustion interne de type Diesel comprend généralement de une à seize chambres de combustion alimentées en air frais et en carburant à haute pression. Afin de réaliser l'alimentation en carburant de la chambre de combustion, le moteur comporte de manière connue en soi une rampe commune qui renferme le carburant sous pression et qui est liée à chacune des chambres de combustion par des canaux débouchant sur des dispositifs d'injection de carburant. Classiquement, un dispositif d'injection de carburant comporte un fourreau cylindrique creux qui comprend à son extrémité inférieure une buse percée d'orifices d'injection et qui loge une aiguille d'obturation présentant une extrémité supérieure de commande appelée piston de commande et une extrémité inférieure d'obturation appelée partie d'obturation. Lorsque cette aiguille d'obturation coulisse dans le fourreau, sa partie d'obturation obture ou libère lesdits orifices d'injection de la buse du dispositif d'injection. Le piston de commande et la partie d'obturation de l'aiguille d'obturation débouchent respectivement dans une chambre de commande et dans une chambre d'obturation creusées dans le fourreau et alimentées chacune en carburant par un gicleur d'entrée indépendant piquée sur la rampe commune d'alimentation en carburant haute pression. Le carburant présent dans chacune de ces chambres de commande et d'obturation exerce donc une force de pression sur le piston de commande et sur la partie d'obturation correspondante de l'aiguille d'obturation. La chambre de commande débouche par ailleurs dans un gicleur de sortie indépendant. La sortie du carburant de la chambre de commande pour diminuer la pression de carburant régnant dans cette chambre de commande est commandée par une vanne. Lorsque cette vanne est fermée et empêche toute fuite de carburant par le gicleur de sortie, la force exercée par le carburant sur le piston de commande de l'aiguille d'obturation est supérieure à la force exercée par le carburant sur la partie d'obturation : l'aiguille d'obturation est plaquée contre les orifices d'injection de la buse et les obture de manière étanche. Au contraire, lorsque cette vanne est ouverte, la fuite de carburant vers le gicleur de sortie fait chuter la pression du carburant présent dans la chambre de commande et la pression exercée par le carburant sur le piston de commande de l'aiguille d'obturation devient inférieure à la pression exercée par le carburant sur sa partie d'obturation. L'aiguille d'obturation est déplacée en translation dans le fourreau et libère les ouvertures de la buse. Une partie du carburant présent dans la chambre d'obturation est alors injectée dans la chambre de combustion. On a remarqué que certaines caractéristiques du moteur, à savoir ses performances ainsi que ses émissions polluantes et sonores, sont fonction de la vitesse de translation de l'aiguille d'obturation dans le fourreau. Une vitesse de translation élevée de l'aiguille d'obturation lors de la libération des ouvertures d'injection de la buse, appelée vitesse d'ouverture, autorise l'injection d'une quantité de carburant élevée sur un temps d'injection donnée, et optimise les performances du moteur dans les phases de fonctionnement de fortes charges. En revanche, dans les phases de fonctionnement du moteur en charge partielle, une vitesse d'ouverture plus faible de l'aiguille d'obturation réduit la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion pendant le délai d'auto-inflammation ce qui limite le bruit généré par la combustion du carburant. Une vitesse de translation élevée de l'aiguille d'obturation lors de l'obturation des ouvertures d'injection de la buse, appelée vitesse de fermeture, est par ailleurs favorable quelle que soit la plage de fonctionnement du moteur. En pratique, dans les dispositifs d'injection connus, la vitesse d'ouverture de l'aiguille d'obturation dépend des sections de passage des canaux d'entrée et de sortie du carburant dans la chambre de commande qui sont fixées lors de leur conception.

Les diamètres des canaux d'entrée et de sortie sont alors prédéterminés pour permettre un compromis entre l'amélioration des performances du moteur lors de son fonctionnement à haute charge et la limitation des bruits générés par la combustion à charge partielle. En conséquence, les vitesses d'ouverture et de fermeture de l'aiguille d'obturation ne sont optimales pour aucune des plages de fonctionnement du moteur. OBJET DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de permettre le réglage de la vitesse d'ouverture et de fermeture de l'aiguille d'obturation du dispositif d'injection pour chacune des plages de fonctionnement du moteur. A cet effet, on propose selon l'invention un dispositif d'injection de carburant tel que défini en introduction, dans lequel l'un au moins desdits gicleurs d'entrée et de sortie présente une section de passage du carburant variable. La section de passage du carburant de l'un des gicleurs d'entrée ou de sortie étant variable, elle peut être réglée en fonction du fonctionnement du moteur. Le réglage de la section de passage de l'un au moins des deux gicleurs d'entrée et de sortie permet de régler le rapport des sections de passage des deux gicleurs d'entrée et de sortie, qui détermine la vitesse globale de sortie du carburant par le gicleur de sortie, et donc la diminution ou l'augmentation de la pression du carburant dans la chambre de commande et la vitesse de translation de l'aiguille d'obturation dans son fourreau. Il est donc finalement possible de régler les vitesses d'ouverture ou de fermeture de l'aiguille d'obturation.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du dispositif d'injection selon l'invention, - il est prévu au moins un élément obturateur dont une partie d'obturation de longueur variable s'étend dans l'un au moins desdits gicleurs d'entrée ou de sortie selon une direction perpendiculaire à l'axe dudit gicleur de manière à obturer une partie variable de sa section de passage du carburant ; - ledit élément obturateur est solidaire d'un actionneur piézoélectrique ; - ledit actionneur piézoélectrique est commandé par un courant de commande déterminé par une unité de commande électronique ; - l'un au moins desdits gicleurs d'entrée et de sortie comporte un conduit cylindrique de diamètre interne variable réalisé en matériau piézoélectrique à déformation radiale ; et, - ladite déformation radiale du conduit est commandée par un courant de commande déterminé par une unité de commande électronique. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés, - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne ; - la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif d'injection de carburant selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique de détail du dispositif d'injection de carburant de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue schématique de détail d'un second mode de réalisation du dispositif d'injection de carburant selon l'invention. En préliminaire, on notera que les éléments identiques ou similaires dans 5 différents modes de réalisation de l'invention, représentés sur les différentes figures, seront dans la mesure du possible référencés par les mêmes signes de référence et ne seront pas décrits à chaque fois. Sur la figure 1, on a représenté un moteur à combustion interne 10 qui comprend, dans un carter cylindre 11, quatre chambres de combustion 11A. 10 Ces chambres de combustion 11A sont alimentées en carburant par un système d'injection de carburant par rampe commune 14. Une pompe 13 prélève le carburant dans le réservoir de carburant 12 et l'injecte sous pression dans la rampe commune 14 par l'intermédiaire d'un conduit 15. 15 La rampe commune 14 comprend en outre quatre canaux de sortie 14A alimentant chacun en carburant un dispositif d'injection 30 qui débouche dans la chambre de combustion 11A. Comme le montre plus particulièrement la figure 2, chaque dispositif d'injection 30 comprend un fourreau 35 dans lequel est disposée une aiguille 20 d'obturation 31. L'aiguille d'obturation 31, monobloc et réalisée ici en acier, présente trois parties distinctes cylindriques de révolution. Elle présente en particulier une partie centrale 31 B de guidage disposée entre un piston de commande 31A et une partie d'obturation 31C. 25 Le diamètre de la partie de commande 31A est supérieur à celui de la partie centrale 31B et le raccordement entre ces deux parties forme un épaulement. Le diamètre de la partie d'obturation 31C est quant à lui inférieur à celui de la partie centrale 31 B et le raccordement entre ces deux parties est réalisé par une zone chanfreinée. Par ailleurs, l'extrémité libre 31D de la partie 30 d'obturation 31 C est conique. Le fourreau 35 comporte un alésage de diamètre prévu pour que celui-ci soit ajusté aux dimensions de la partie centrale 31B et du piston de commande 31A de l'aiguille d'obturation 31. Du côté du piston de commande 31A de l'aiguille d'obturation 31, cet 35 alésage s'élargit sur une chambre de commande 32, tandis que du côté de la partie d'obturation 31C de l'aiguille d'obturation 31, il s'élargit sur une chambre d'obturation 33.

Cette chambre d'obturation 33 accueille la partie d'obturation 31C de l'aiguille d'obturation 31. Elle est fermée par une buse 36 qui présente intérieurement une surface conique formant le négatif de l'extrémité libre 31D conique de l'aiguille d'obturation 31 et dont la paroi comporte des orifices d'injection 36A traversants. L'extrémité libre 31D de l'aiguille d'obturation 31 est donc, lorsqu'elle est plaquée contre la buse 36, adaptée à obstruer les ouvertures d'injection 36A de celle-ci. La chambre de commande 32 loge une partie du piston de commande 31A de l'aiguille d'obturation 31.

Les chambres d'obturation 33 et de commande 32 comportent chacune une ouverture d'entrée de carburant débouchant dans un gicleur d'entrée 33A, 32A;132A haute pression distinct se présentant sous la forme d'un conduit piqué sur un des canaux de sortie 14A de la rampe commune 14. La chambre de commande 32 comporte en outre une ouverture de sortie débouchant dans un gicleur de sortie 34A basse pression se présentant sous la forme d'un conduit sur le trajet duquel est située une vanne 34 dont l'ouverture est activée par la commande d'un dispositif piézoélectrique de type connu (non représenté), soit par la commande d'un dispositif comprenant un ressort de rappel et une bobine créant un champ électromagnétique.

La commande de l'ouverture de la vanne 34 est réalisée par une unité de commande électronique 40. En fonctionnement, la pompe 13 liée au moteur à combustion interne 10 prélève du carburant dans le réservoir de carburant 12 et l'injecte sous pression dans la rampe commune 14. Le carburant sous pression est donc introduit dans la rampe commune 14 ainsi que dans chacun de ses canaux de sortie 14A et dans chacune des chambres d'obturation 33 et de commande 32 des dispositifs d'injection 30 de carburant. Tant que les vannes 34 sont fermées, les pressions régnant dans les chambres d'obturation 33 et de commande 32 de chaque dispositif d'injection 30 de carburant sont identiques. Le piston de commande 31A de l'aiguille d'obturation 31 présentant une section de surface importante, la résultante des forces de pression s'exerçant sur l'aiguille d'obturation 31 est alors dirigée vers la partie d'obturation 31C de l'aiguille d'obturation 31, qui est donc plaquée contre la buse 36 de manière à obturer les ouvertures d'injection 36A de celle-ci. Afin d'injecter du carburant dans la chambre de combustion 11A, l'unité de commande électronique 40 commande l'ouverture de la vanne 34 pendant une durée déterminée en fonction, au moins, du fonctionnement du moteur 10 et de la pression du carburant dans la rampe commune 14. Une partie du carburant sous pression présent dans la chambre de commande 32 est alors évacuée à travers le gicleur de sortie 34A vers le réservoir de carburant 12, si bien que la pression du carburant dans la chambre de commande 32 devient inférieure à la pression du carburant dans la chambre d'obturation 33. La résultante des forces de pression s'exerçant sur l'aiguille d'obturation 31 est alors dirigée vers le piston de commande 31A de l'aiguille d'obturation 31 et celle-ci se soulève : sa partie d'obturation 31C libère les ouvertures d'injection 36A de la buse 36 et le carburant présent dans la chambre d'obturation 33 traverse les ouvertures d'injection 36A pour pénétrer dans la chambre de combustion 11A. De manière remarquable, comme représenté plus particulièrement sur les figures 3 et 4, ledit gicleur d'entrée 32A,132A de la chambre de commande 32 du dispositif d'injection 30 présente une section de passage du carburant variable. Cette section de passage est de préférence ajustable en temps réel. Alternativement, seul le gicleur de sortie de la chambre de commande du dispositif d'injection peut présenter une section de passage du carburant variable. En variante, les deux gicleurs d'entrée et de sortie de la chambre de commande du dispositif d'injection peuvent présenter une section de passage du carburant variable. Selon un premier mode de réalisation, représenté plus particulièrement sur la figure 3, le gicleur d'entrée 32A de la chambre de commande 32 du dispositif d'injection 30 de carburant comporte un conduit 33 cylindrique réalisé en matériau piézoélectrique à déformation radiale. Ce conduit 33 présente un diamètre interne Dl variable compris de préférence entre 50 et 250 micromètres, par exemple environ égal à 200 micromètres en l'absence de courant de commande électrique. Lorsqu'un courant de commande électrique parcourt ledit conduit 33, celui-ci subit une dilatation ou une constriction radiale en fonction du courant de commande appliqué et qui correspond ici de préférence à une réduction ou à une augmentation comprise entre 2,5 et 20% de son diamètre interne D1. Le conduit 33 comporte une extrémité d'entrée débouchant dans l'un des canaux 14A et une extrémité de sortie débouchant dans la chambre de commande 32. L'étanchéité de la liaison entre ce conduit 33 et la paroi 14B dudit canal 14A ou le fourreau 35 délimitant ladite chambre de commande 32 est assurée par des joints d'étanchéité 37.

En pratique, l'unité de commande électronique 40 reçoit les informations provenant de différents capteurs du moteur, par exemple des capteurs de régime et de position de la pédale d'accélération et commande l'injection du carburant ainsi que l'ouverture et la fermeture des différentes vannes du moteur.

Ici, l'unité de commande électronique 40 détermine de plus la valeur de l'intensité du courant de commande qui parcourt le conduit 33, de façon à déterminer la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée 32A en fonction des informations reçues par l'unité de commande électronique 40 qui décrivent le fonctionnement du moteur.

Selon un deuxième mode de réalisation, représenté plus particulièrement sur la figure 4, le gicleur d'entrée 132A du dispositif d'injection de carburant 30 se présente sous la forme d'un conduit 133 comportant dans sa paroi une ouverture latérale 134 à travers laquelle une partie d'obturation 151 d'un élément obturateur 150 fait saillie à l'intérieur de ce conduit 133, de préférence perpendiculairement à l'axe Z de ce conduit 133. Le conduit 133 comporte une extrémité d'entrée débouchant dans l'un des canaux 14A et une extrémité de sortie débouchant dans la chambre de commande 32. Le conduit 133 vient ici de matière avec le fourreau 35 et la paroi 14B du canal de sortie 14A, de sorte qu'il n'est pas prévu dans ce cas de joints d'étanchéité. Ce conduit 133 présente un diamètre interne D2 fixe compris de préférence entre 50 et 250 micromètres, par exemple environ égal à 200 micromètres.

La partie d'obturation 151 de l'élément obturateur 150 obture une partie de la section de passage du carburant dudit gicleur d'entrée 132A. Le diamètre interne D3 du conduit 133 mesuré au droit de l'élément obturateur 150 est ainsi variable. Des joints d'étanchéité dynamique 135 s'étendent entre l'élément obturateur 150 et la paroi interne de l'ouverture latérale 134 pour assurer l'étanchéité dynamique de la liaison entre l'élément obturateur 150 et la paroi du conduit 133. Cet élément obturateur 150 présente par exemple la forme d'une tige ou d'une plaque s'étendant à partir d'un élément intermédiaire 161 assurant la liaison dudit élément obturateur 150 avec un actionneur piézoélectrique 160. Cet actionneur 160 est fixé par tout moyen connu de l'homme du métier le long du fourreau 35 du dispositif d'injection 30.

Lorsqu'un courant de commande électrique parcourt ledit actionneur piézoélectrique 160, la longueur L de cet actionneur piézoélectrique 160 varie en fonction du courant de commande appliqué. L'élément obturateur 150 solidaire de cet actionneur piézoélectrique 160 subit en conséquence un mouvement de translation longitudinal. La longueur D de la partie d'obturation 151 de cet élément obturation 150 varie en fonction de ce mouvement de translation longitudinal imposé par l'actionneur piézoélectrique 160. L'étendue de la partie de la section de passage du gicleur d'entrée 132A obturée par la partie d'obturation 151 de l'élément obturateur 150 augmente ou diminue en conséquence. Cela correspond ici de préférence à une réduction comprise entre 2,5 et 20% du diamètre interne D3 de ce conduit 133 mesuré au droit de l'élément obturateur 150. En pratique, l'unité de commande électronique 40 détermine ici la valeur de l'intensité du courant de commande qui parcourt l'actionneur piézoélectrique 160, de façon à déterminer la longueur D de la partie d'obturation 151 de cet élément obturation 150, et donc la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée 132A en fonction des informations reçues par l'unité de commande électronique 40 qui décrivent le fonctionnement du moteur.

Quel que soit le mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans le dispositif d'injection 30 selon l'invention, la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée 32A;132A étant variable en fonction du fonctionnement du moteur et la section de passage du carburant dans le gicleur de sortie 34A étant fixe, le rapport de la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée 32A;132A divisé par la section de passage du carburant dans le gicleur de sortie 34A est ainsi varié en fonction du fonctionnement du moteur. La valeur de ce rapport détermine la vitesse de translation de l'aiguille d'obturation 31 lorsque la vanne 34 est ouverte puis refermée. On appelle vitesse d'ouverture la vitesse de translation de l'aiguille 30 d'obturation pour libérer les ouvertures d'injection 36A de la buse 36, et vitesse de fermeture la vitesse de translation de l'aiguille d'obturation 31 pour obturer les ouvertures d'injection 36A de la buse 36. Lors des phases de fonctionnement du moteur à fortes charges, l'unité de commande électronique 40 commande l'application au conduit 33 du premier 35 mode de réalisation ou à l'actionneur piézoélectrique 160 du deuxième mode de réalisation d'un courant de commande d'intensité déterminée pour diminuer la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée 32A, 132A par rapport à la section de passage du carburant dans le gicleur de sortie 34A. Par exemple, ledit rapport des sections des gicleurs d'entrée et de sortie est de préférence compris entre 1 et 3, par exemple égal à 1,1. Si le diamètre du gicleur d'entrée 32A;132A diminue de 10%, ledit rapport devient égal à environ 0,89. Ceci permet d'assurer une vitesse d'ouverture élevée de l'aiguille d'obturation 31 et autorise l'injection d'une quantité de carburant élevée sur un temps d'injection donné. Les performances du moteur sont ainsi optimisées. On peut envisager dans ce cas que l'unité de commande électronique 40 applique ensuite un courant de commande au conduit 33 du premier mode de réalisation ou à l'actionneur piézoélectrique 160 du deuxième mode de réalisation dont l'intensité est déterminée pour augmenter la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée 32A, 132A par rapport à la section de passage du carburant dans le gicleur de sortie 34A lors de la fermeture de l'aiguille d'obturation. La vitesse de fermeture de l'aiguille d'obturation 31 est ainsi avantageusement élevée. Alternativement, on peut envisager que, dans les phases de fonctionnement du moteur en charge partielle, l'unité de commande électronique 40 commande l'application au conduit 33 du premier mode de réalisation ou à l'actionneur piézoélectrique 160 du deuxième mode de réalisation d'un courant de commande d'intensité déterminée pour augmenter la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée 32A, 132A par rapport à la section de passage du carburant dans le gicleur de sortie 34A. Ceci permet d'assurer une vitesse d'ouverture plus faible de l'aiguille d'obturation 31 et réduit la quantité de carburant injectée pendant le temps d'injection donné. La quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion pendant le délai d'auto-inflammation est ainsi réduit, ce qui limite le bruit généré par la combustion du carburant. De plus, la vitesse de fermeture de l'aiguille d'obturation est ainsi également élevée, ce qui est favorable dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur. En outre, les utilisations du dispositif d'injection décrites précédemment peuvent être combinées. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. Dans le cas par exemple où c'est le gicleur de sortie dudit dispositif d'injection qui présente une section de passage du carburant variable, lors des phases de fonctionnement du moteur à fortes charges, l'unité de commande électronique commande l'application d'un courant de commande d'intensité déterminée pour augmenter la section de passage du carburant dans le gicleur de sortie par rapport à la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée. Dans les phases de fonctionnement du moteur en charge partielle, l'unité de commande électronique peut alors commander l'application d'un courant de commande d'intensité déterminée pour diminuer la section de passage du carburant dans le gicleur de sortie par rapport à la section de passage du carburant dans le gicleur d'entrée.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'injection (30) de carburant dans une chambre de combustion (11A) d'un moteur (10) à combustion interne, comportant un piston de commande (31A) de l'aiguille d'obturation (31) d'une buse (36) d'injection, ce piston de commande (31A) fermant une chambre de commande (32) alimentée en carburant à haute pression par au moins un gicleur d'entrée (32A;132A) et débouchant sur au moins un gicleur de sortie (34A), caractérisé en ce que l'un au moins desdits gicleurs d'entrée (32A;132A) et de sortie (34A) présente une section de passage du carburant variable.
2. 2. Dispositif d'injection (30) de carburant selon la revendication 1, dans lequel il est prévu au moins un élément obturateur (150) dont une partie d'obturation (151) de longueur variable s'étend dans l'un au moins desdits gicleurs d'entrée (132A) ou de sortie selon une direction perpendiculaire à l'axe dudit gicleur (132A) de manière à obturer une partie variable de sa section de passage du carburant.
3. 3. Dispositif d'injection (30) de carburant selon la revendication précédente, dans lequel ledit élément obturateur (150) est solidaire d'un actionneur piézoélectrique (160).
4. 4. Dispositif d'injection (30) de carburant selon la revendication précédente, dans lequel ledit actionneur piézoélectrique (160) est commandé par un courant de commande déterminé par une unité de commande électronique (40).
5. 5. Dispositif d'injection (30) de carburant selon l'une des revendications 25 précédentes, dans lequel l'un au moins desdits gicleurs d'entrée (32A) et de sortie comporte un conduit (33) cylindrique de diamètre interne variable réalisé en matériau piézoélectrique à déformation radiale.
6. 6. Dispositif d'injection (30) de carburant selon la revendication précédente, dans lequel ladite déformation radiale dudit conduit (33) est 30 commandée par un courant de commande déterminé par une unité de commande (40) électronique.