FR2968720A1

FR2968720A1 - Injecteur, notamment pour l'injection multipoints de carburant dans un moteur a combustion interne

Info

Publication number: FR2968720A1
Application number: FR1004794A
Authority: FR
Inventors: Jerome Helie; Yves Maxch; Junmei Shi
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Current assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: FR2968720B1

Abstract

L'invention concerne un injecteur, notamment pour l'injection multipoints de carburant dans un moteur à combustion interne. Un tel injecteur est généralement monté dans la culasse d'un tel moteur pour injecter directement le carburant dans la chambre de combustion d'un cylindre d'un tel moteur. L'invention vise à optimiser la buse (120) d'un tel injecteur de sorte à accroître l'énergie cinétique transversale du jet en provoquant un écoulement tourbillonnaire du fluide injecté lors de son passage dans la buse. Ce résultat est obtenu avec un injecteur, comprenant une cavité d'injection (210) sensiblement cylindrique d'axe longitudinal (101), la buse d'injection comprenant une pluralité d'orifices épaulés (220, 220') sensiblement cylindriques, débouchant de manière excentrée par rapport à l'axe longitudinal (101) dans la cavité (210), de sorte à provoquer un écoulement tourbillonnaire dans chaque orifice du fluide injecté.

Description

L'invention concerne un injecteur, notamment pour l'injection multipoints de carburant dans un moteur à combustion interne. Un tel injecteur est généralement monté dans la culasse d'un tel moteur pour injecter directement le carburant dans la chambre de combustion d'un cylindre d'un tel moteur.

Figure 1, selon un exemple de réalisation de l'art antérieur, un tel injecteur (100) s'étend essentiellement selon un axe longitudinal (101) et comprend une arrivée de carburant (110) d'une part, par laquelle le carburant pénètre sous pression dans l'injecteur et, d'autre part, une buse d'injection (120) comportant un orifice (140) pour produire un jet (150) atomisé dans la chambre de combustion du cylindre (non représentés). L'instant et la durée de l'injection sont réglés par une aiguille (130), laquelle se déplace selon une translation longitudinale dans l'injecteur, pilotée par exemple par un dispositif piézoélectrique (160). Lorsque l'extrémité de l'aiguille (131) repose sur son siège (141) l'orifice (140) est fermé. Une translation de l'aiguille (130) sépare son extrémité (131) du siège (141) et ouvre l'orifice d'injection (140). Lorsque l'aiguille (130) repose sur son siège (141), le fluide contenu dans l'injecteur (100) possède une énergie potentielle proportionnelle à la différence de pression entre la pression à l'arrivée de carburant (110) et la pression dans la chambre de combustion du cylindre alimenté par cet injecteur. Lorsque, par sa translation, l'aiguille (130) ouvre l'orifice (140), cette énergie est convertie en énergie cinétique du fluide en écoulement. L'objectif visé est d'atomiser le jet dans la chambre de combustion ; c'est-à-dire de séparer le dit jet en gouttelettes et de disperser lesdites gouttelettes. L'atomisation du jet permet d'augmenter la surface d'échange entre le carburant et l'air et ainsi d'accélérer la combustion tout en réduisant les constituants imbrûlés. L'efficacité de cette atomisation est, au moins en partie, responsable de la performance du moteur et de ses émissions polluantes. Lors de l'ouverture de l'orifice (140) de la buse d'injection (120), l'énergie potentielle du fluide contenu dans l'injecteur est convertie en énergie cinétique axiale, dans le sens de l'écoulement du jet, et en énergie cinétique transverse. Cette énergie cinétique transverse, fonction de la vitesse radiale de l'écoulement au travers de l'orifice (140), est seule à être en mesure de vaincre la tension superficielle du fluide et de le séparer en gouttelettes pour obtenir une atomisation satisfaisante. Cette vitesse radiale, si elle n'est pas parfaitement contrôlée, est cependant susceptible de générer des turbulences et des fluctuations dans la direction du jet et dans son épanouissement, effets qui sont défavorables à l'obtention d'une combustion optimale.

Selon l'art antérieur, l'injection du carburant est réalisée par une buse à turbulence. Une telle buse produit un jet (150) essentiellement conique comportant une gaine de fluide entourant de l'air. Ce type de jet (150) ne produit qu'une atomisation limitée et l'angle du jet (150) est complexe à contrôler. D'autres techniques de l'art antérieur créent un jet annulaire par l'intermédiaire d'un injecteur dit « à tétons » dans lequel la forme du jet (150) est gouvernée par la forme du passage du fluide entre l'extrémité de l'aiguille (131) et son siège (141). Cette technologie est coûteuse car elle requiert un ajustement précis de l'extrémité de l'aiguille (131) sur son siège (141). De plus les performances d'un tel injecteur sont sensibles à la dégradation de l'état de surface de l'extrémité de l'aiguille (131) et de son siège (141), lesquels sont soumis à des phénomènes d'érosion par cavitation du fluide. L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et vise à optimiser la buse d'un injecteur de sorte à accroître l'énergie cinétique transversale du jet en provoquant un écoulement tourbillonnaire du fluide injecté lors de son passage dans la buse. Ce résultat est obtenu avec un injecteur, notamment pour une injection multipoints de carburant dans un moteur à combustion interne, comprenant une cavité d'injection sensiblement cylindrique d'axe longitudinal, communiquant par une buse avec une chambre de combustion dudit moteur, la buse d'injection comprenant une pluralité d'orifices épaulés sensiblement cylindriques, débouchant de manière excentrée par rapport à l'axe longitudinal dans la cavité, de sorte à provoquer un écoulement tourbillonnaire dans chaque orifice du fluide injecté. La présence de multiples orifices débouchant de manière excentrée dans la cavité imprime une vitesse radiale et un régime tourbillonnaire au fluide qui, sous l'effet de la pression d'injection, pénètre dans ces orifices. Chaque épaulement dans lesdits orifices produit une discontinuité géométrique s'étendant radialement par rapport à l'écoulement du fluide ladite discontinuité favorisant la création d'un régime tourbillonnaire. Un tel écoulement tourbillonnaire augmentant l'énergie cinétique radiale du fluide pénétrant dans la chambre de combustion et favorise ainsi son atomisation. L'efficacité de l'atomisation devient moins sensible aux conditions d'écoulement du fluide en amont de la buse d'injection et notamment à la pression et à la température du fluide. Il est ainsi possible d'augmenter la pression d'injection tout en conservant une atomisation optimale du carburant dans la chambre de combustion. L'invention peut être mise en oeuvre dans les modes de réalisations avantageux exposés ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Les modes de réalisation exposés ci-après visent à provoquer un écoulement 35 tourbillonnaire, en augmentant la vitesse radiale du fluide, sans générer d'effets indésirables. Avantageusement, chaque orifice comporte une section d'entrée et une section de sortie, connectées par un épaulement, la surface d'ouverture de la section d'entrée étant inférieure à la surface d'ouverture de la section sortie, et débouche dans la cavité par sa section d'entrée, l'axe du cylindre dudit orifice étant incliné par rapport à l'axe longitudinal. Ainsi, l'inclinaison de l'axe de l'orifice facilite la pénétration du fluide dans celui-ci. La variation de section de l'orifice coopère avec la variation de section que le fluide subit lors de son écoulement de la cavité dans l'orifice, pour produire une fluctuation de pression favorisant la création d'un régime d'écoulement tourbillonnaire. Avantageusement, le diamètre D de la section de sortie de l'orifice et la longueur L de l'orifice à sa section de sortie, sont dans un rapport L/D, compris entre 0,3 et 0,6. Cette caractéristique favorise l'épanouissement radial du jet à la sortie de l'orifice. Avantageusement, le débouché d'un orifice dans la cavité comprend une portion de section d'ouverture supérieure à la section d'entrée de l'orifice, s'étendant en épaisseur selon un axe parallèle à l'axe longitudinal. Cette caractéristique produit une double discontinuité apte à favoriser l'établissement d'un régime tourbillonnaire : - une première discontinuité au passage de la cavité à la portion en épaulement ; - une seconde discontinuité au passage de cette portion à la section d'entrée de l'orifice. Ainsi, l'effet de ces discontinuités peut être dosé en faisant varier la forme et la profondeur de la portion dont la section d'ouverture est supérieure à celle de la section 20 d'entrée de l'orifice. Selon une première variante de réalisation, ladite portion est de section polygonale. Avantageusement, elle comporte une rainure s'étendant depuis au moins un des sommets du polygone parallèlement à l'un des côtés adjacent audit sommet. Ce type de 25 rainure favorise l'augmentation de la composante radiale de la vitesse d'écoulement. Selon une deuxième variante de réalisation, ladite portion est de section circulaire excentrée par rapport à l'orifice. Une telle forme de section est plus facile à réaliser. Avantageusement, ladite portion comprend des rainures s'étendant tangentiellement en dehors du cercle. 30 Selon une troisième variante de réalisation, ladite portion est épaulée et comprend selon l'axe longitudinal au moins deux niveaux de sections différentes en forme ou en surface. Cette configuration offre un niveau supplémentaire de réglage de l'effet sur l'écoulement du fluide. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'injecteur objet de 35 l'invention comprend un cache posé sur la surface de la cavité où les orifices débouchent, ladite portion étant usinée dans ce cache. Ce mode de réalisation permet de simplifier la réalisation de l'injecteur et d'augmenter les tolérances de fabrication, donc de réduire son coût de réalisation et permet en outre de réduire le volume de la cavité ce qui favorise également l'écoulement tourbillonnaire, la section d'écoulement étant alors réduite entre l'extrémité de l'aiguille et le cache, la vitesse de l'écoulement augmentant dans la direction radiale avant que le fluide ne pénètre dans les orifices.

Selon un dernier mode de réalisation non moins avantageux, l'injecteur objet de l'invention comprend au moins deux caches superposés selon l'axe longitudinal comprenant des usinages de sections différentes en forme et en surface. Ainsi, le volume de la cavité est encore réduit et l'organisation des usinages des deux disques superposés permet non seulement de favoriser l'écoulement tourbillonnaire, mais de contraindre le fluide à suivre un tel écoulement. L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et des figures 1 à 6, dans lesquelles : - la figure 1, relative à l'art antérieur, représente un injecteur selon une vue de face et en coupe longitudinale ; - la figure 2 montre, selon une vue de face et en coupe longitudinale, la buse d'un injecteur selon l'un des modes de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue de dessus et en coupe transversale d'un injecteur selon un exemple de réalisation de l'invention ; - la figure 4 montre en vue partielle, selon le même point de vue que la figure 3, différentes variantes (figures 4A à 4C) de réalisation de l'invention ; - la figure 5 représente en perspective et en coupe longitudinale, un exemple de réalisation de la buse d'un injecteur selon l'invention - la figure 6 montre selon la même vue que la figure 5, deux autres exemples alternatifs de réalisation de l'invention.

Figure 2, selon un exemple de réalisation, la buse 120 de l'injecteur 100 objet de l'invention comprend une cavité 210 sensiblement cylindrique d'axe longitudinal 101, laquelle cavité 210 se trouve directement sous l'extrémité de l'aiguille 131. Cette cavité 210 communique avec la chambre de combustion d'un cylindre par une pluralité d'orifices 220, 220' débouchant de manière excentrée dans ladite cavité 210. La figure 2 représente la buse 120 fermée par l'extrémité de l'aiguille 131 reposant sur son siège 141 tronconique. Par un déplacement axial de l'aiguille 130, son extrémité 131 quitte le siège 141 et permet l'écoulement du fluide sous pression dans la cavité 210 par l'espace entre l'extrémité de l'aiguille 131 et son siège 141, puis de la cavité 210 dans les orifices 220, 220' pour atteindre la chambre de combustion. Typiquement, dans l'instant qui précède l'ouverture de la buse 120, le fluide est sous une pression comprise entre 100.103 et 300.103 Pa. En passant par l'interface entre l'extrémité de l'aiguille 131 et son siège 141, le fluide arrive selon un jet sensiblement conique et avec une composante radiale de vitesse centripète. Il doit ensuite suivre une trajectoire selon une direction essentiellement radiale et centrifuge pour rejoindre les orifices 220, 220'. Ce mouvement imprime un régime tourbillonnaire à l'écoulement. Chaque orifice 220, 220' comprend une section d'entrée 221 et une section de sortie 222 de section supérieure à la section d'entrée 221, la transition entre ces deux sections étant réalisée par un épaulement 223. La section de sortie 222 est d'un diamètre D supérieur ou égal à sa longueur L. Selon un exemple de réalisation avantageux, le ratio L/D est compris entre 0,3 et 0,6. Cette caractéristique favorise un épanouissement du jet 250 et son atomisation. Selon un exemple de réalisation, le diamètre de la section de sortie des orifices est de l'ordre de 0,2 mm. Le débit de fluide est donné par le nombre et la section des orifices. Ce mode de réalisation simple conservant une cavité exempte d'accidents de forme, évite le cokage ou dépôt de résidus de combustion dans la cavité au cours de la vie de l'injecteur 100. Figure 3, selon un exemple de réalisation, le débouché des orifices 220, 220' dans la cavité 210, comprend une portion 310 de section d'ouverture plus importante que la section d'entrée des orifices 220, 220'. Cette portion peut être usinée dans le fond de la cavité 210 par des techniques telles que l'électroérosion par enfonçage. Elle crée un épaulement à l'entrée de l'orifice sur une épaisseur nettement inférieure à la largeur de ladite portion 310. La forme de cette ouverture 310 est choisie de telle sorte à favoriser la création d'un régime tourbillonnaire dans l'écoulement du fluide injecté, et limiter le cokage des ouvertures. Selon cet exemple de réalisation, la forme de l'ouverture 310 est polygonale, triangulaire dans cet exemple. Figure 4, selon quelques exemples de réalisation, la forme de l'ouverture 410 peut comporter des rainures 411 s'étendant radialement depuis un ou plusieurs sommets du polygone parallèlement à l'un des côtés adjacents à ce sommet, figure 4A.

Figure 4B, la section d'ouverture 420, est selon cet exemple de réalisation circulaire, excentrée par rapport à la section d'entrée de l'orifice 220' et comportant des rainures 421 s'étendant tangentiellement au cercle. Figure 4C, l'ouverture 430 comporte axialement deux niveaux, dans cet exemple, une ouverture de section circulaire 431, excentrée par rapport au débouché de 30 l'orifice 220', ladite ouverture étant pratiquée au fond d'une rainure 432. Figure 5, la portion de section ouverte plus importante au débouché des orifices, peut être obtenue en rapportant un cache 510 sur le fond de la cavité 210. Un tel cache, est sollicité en compression par la pression du fluide et peut donc être constitué d'un matériau rigide en faible épaisseur. Selon un exemple de réalisation avantageux, ce 35 cache 510 est taillé dans une feuille d'acier de 0,3 mm d'épaisseur. Les ouvertures dans le cache sont facilement usinées à l'extérieur de l'injecteur, par électroérosion ou par des techniques de poinçonnage/découpage de haute précision des métaux en feuille. Cette dernière technologie permet de réaliser le cache 510 de manière économique en très grande série. Les ouvertures 511 dans le cache peuvent prendre toute forme notamment celles évoquées précédemment (figures 3 et 4). Figure 6, plusieurs caches 510', 610, 620 peuvent être empilés selon l'axe 5 longitudinal et comprennent chacun des motifs d'ouverture 512, 611, 612 aptes à coopérer pour produire un écoulement tourbillonnaire. La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle visait. En particulier, elle permet d'améliorer l'atomisation et la dispersion du jet d'un injecteur de manière 10 économique.

Claims

REVENDICATIONS1. Injecteur, notamment pour une injection multipoints de carburant dans un moteur à combustion interne, comprenant une cavité d'injection (210) sensiblement cylindrique d'axe longitudinal (101), communiquant par une buse (120) avec une chambre de combustion dudit moteur, caractérisé en ce que la buse d'injection comprend une pluralité d'orifices épaulés (220, 220'), sensiblement cylindriques, débouchant de manière excentrée par rapport à l'axe longitudinal (101) dans la cavité (210) de sorte à provoquer un écoulement tourbillonnaire dans chaque orifice (220, 220') du fluide injecté.
2. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque orifice (220, 220') comporte une section d'entrée (221) et une section de sortie (222), connectées par un épaulement (223), la surface d'ouverture de la section d'entrée (221) étant inférieure à la surface d'ouverture de la section sortie (222), et débouche dans la cavité (210) par sa section d'entrée (221), l'axe (201) du cylindre dudit orifice étant incliné par rapport à l'axe longitudinal (101).
3. Injecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre D de la 15 section de sortie (222) de l'orifice (220, 220') et la longueur L de l'orifice à sa section de sortie sont dans un rapport L/D compris entre 0,3 et 0,6.
4. Injecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le débouché d'un orifice (220, 220') dans la cavité (210) comprend une portion (310) de section d'ouverture supérieure à la section d'entrée (221) de l'orifice s'étendant-en épaisseur selon un axe 20 parallèle à l'axe longitudinal (101)
5. Injecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite portion (310) est de section polygonale.
6. Injecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite portion (410) comporte une rainure (411) s'étendant depuis au moins un des sommets du polygone 25 parallèlement à l'un des côtés adjacents audit sommet.
7. Injecteur selon la revendication 4, caractérisé en de que ladite portion (420) est de section circulaire excentrée par rapport à l'orifice.
8. Injecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite portion (420) comprend des rainures (421) s'étendant tangentiellement en dehors du cercle (420). 30
9. Injecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite portion (430) est épaulée et comprend selon l'axe longitudinal (101) au moins deux niveaux de sections (432, 431) différentes en forme ou en surface.
10. Injecteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un cache (510) posé sur la surface de fond de la cavité (210) où les 35 orifices (220, 220') débouchent, ladite portion (511) étant usinée dans ce cache (510).
11. Injecteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moinsdeux caches (510', 610, 620) superposés selon l'axe longitudinal comprenant des usinages (512, 611, 612) de sections différentes en forme et en surface.