FR2986574A1 - Injecteur de carburant gazeux sous pression - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé d'injection d'un carburant gazeux (C) sous pression dans une chambre de combustion (12) d'un moteur à combustion interne (10). Le procédé est mis en oeuvre par un injecteur (14) piloté, le carburant (C) gazeux circulant dans l'injecteur (14) depuis une entrée (18) amont jusqu'à une buse (22) d'injection aval s'ouvrant dans la chambre de combustion (12). Le carburant gazeux sous pression subit dans l'injecteur (14) une détente provoquant une réaction endothermique de sorte que l'injecteur (14) en est refroidit.

Description

DP-319943 Injecteur de carburant gazeux sous pression DOMAINE TECHNIQUE L'invention est relative à un injecteur de carburant gazeux sous pression destiné à être agencé sur un moteur à combustion interne ainsi qu'à un procédé de refroidissement de l'injecteur.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION De récentes évolutions dans le domaine des moteurs à combustion interne à injection concerne le passage de l'utilisation de carburants liquides, type essence ou diesel, à l'utilisation de carburants gazeux type méthane, GPL... Dans un premier temps des injecteurs conçus pour des carburants liquides ont été adaptés aux véhicules alimentés au gaz et ce notamment pour permettre une utilisation mixte ou alternée, essence gaz, l'approvisionnement en carburant gazeux n'étant pas toujours facile. Dans ces injecteurs connus de l'état de la technique le carburant sous pression arrive en amont par une entrée puis circule dans un corps tubulaire jusqu'à une buse d'injection aval qui s'ouvre pour injecter le carburant dans une chambre de combustion du moteur à combustion interne. A l'intérieur du corps est agencée une aiguille pouvant se déplacer selon un mouvement de va-et-vient, l'aiguille coopérant par son extrémité avec un siège d'aiguille solidaire du corps d'injecteur. Un actionneur piloté commande les déplacements de l'aiguille et par la même l'ouverture et la fermeture de la buse d'injection. Lorsque l'extrémité de l'aiguille est en contact avec le siège, la buse d'injection est fermée interdisant toute sortie de carburant, le carburant sous pression étant maintenu dans le corps de l'injecteur, en amont de la buse. Lorsque, suite à un déplacement de l'aiguille, la buse d'injection est ouverte, le carburant sous pression est injecté dans la chambre d'injection selon un jet dont l'orientation et la forme dépendent de la géométrie des surfaces de l'extrémité de l'aiguille et du siège. La quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion est donc directement fonction du temps d'ouverture de la buse et de la section de l'ouverture de la buse. L'adaptation de ces injecteurs essence à un carburant gazeux n'est pas sans difficulté. Effectivement, l'environnement sévère de la chambre de combustion et la fréquence élevée des ouvertures-fermetures de la buse tendent à détériorer les surfaces et donc l'étanchéité de la buse fermée se dégrade. Ceci est d'autant plus sensible pour un gaz apte à passer par le plus petit interstice. Par ailleurs, si le carburant liquide permet de maintenir l'injecteur à une température de fonctionnement raisonnable, et ce grâce aux propriétés du liquide, le carburant gazeux ne le permet pas et la température de l'injecteur augmente inconsidérément au-delà de ce qui devrait être. Enfin, la course de l'aiguille entre l'ouverture et la fermeture augmente régulièrement au fur et à mesure des nombreux et répétés impacts subits lors des ouvertures-fermetures. Ceci entraîne une augmentation involontaire de la section de passage offerte au carburant sous pression et donc une augmentation non souhaitée de la quantité de carburant injectée à chaque ouverture de la buse. Avec l'avènement du carburant gazeux, il est important de protéger les injecteurs contre les hautes températures de la chambre à combustion et de proposer des moyens de conserver constante la quantité de carburant injectée. RESUME DE L'INVENTION L'invention propose de résoudre les problèmes ci-dessus mentionnés en proposant un procédé d'injection d'un carburant gazeux sous pression dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Le procédé est mis en oeuvre par un injecteur piloté, le carburant gazeux circulant dans l'injecteur depuis une entrée amont jusqu'à une buse d'injection aval s'ouvrant dans la chambre de combustion. Le carburant gazeux sous pression subit dans l'injecteur une détente provoquant une réaction endothermique de sorte que l'injecteur en est avantageusement refroidit. La détente est provoquée par une variation soudaine de la section du passage dans lequel circule le carburant gazeux. En aval de la section ayant provoqué la détente du gaz, les conduits et passages menant à la chambre de combustion conservent substantiellement inchangée la vitesse et la pression du flux gazeux. Un avantage important de l'invention est que la quantité et le débit du gaz injecté sont déterminés par la détente du gaz en amont de la buse d'injection, alors que la géométrie du jet injecté dans la chambre de combustion est déterminée quant à elle par la géométrie de la buse d'injection. Ainsi l'augmentation régulière de la section de passage provoquée par les nombreuses et fréquentes ouvertures et fermetures successives et répétées de la buse n'influe quasiment pas sur la quantité et le débit du gaz injecté. L'invention concerne également un injecteur de carburant prévu pour injecter un gaz sous pression dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. L'injecteur comprend un corps tubulaire, s'étendant selon un axe longitudinal depuis une entrée amont jusqu'à un orifice de sortie aval du gaz, et une aiguille agencée dans le corps. Une extrémité de l'aiguille coopère avec la sortie pour former une buse d'injection. L'aiguille peut être longitudinalement déplacée dans le corps de sorte à obturer la sortie, la buse étant alors dans un état fermé et le carburant étant retenu dans le corps de l'injecteur, ou de sorte à être éloignée de la sortie, la buse étant alors dans un état ouvert et un flux de gaz sous pression passant alors entre ladite extrémité et la sortie jusqu'à entrer dans la chambre de combustion. L'injecteur est de plus avantageusement pourvu d'un moyen de détente du gaz sous pression circulant dans le corps de l'injecteur, ladite détente du gaz provoquant une réaction endothermique, ledit moyen étant agencé dans le corps de l'injecteur de sorte à refroidir de manière appropriée une partie de l'injecteur située entre l'entrée et la sortie du carburant. Le moyen de détente est une pièce tubulaire longitudinale dont la surface externe est solidaire de la surface interne du corps de l'injecteur, l'aiguille passant par le trou central de ladite pièce tubulaire. Le gaz circule au travers d'au moins un passage traversant d'amont en aval aménagé au moins en partie dans la pièce tubulaire et dont la section réduite par rapport à la section du corps en amont de la pièce tubulaire provoque une détente du gaz accompagnée d'une réaction endothermique. Selon une alternative de réalisation l'au moins un passage est réalisé dans l'épaisseur même de la paroi de la pièce tubulaire, entre les surface interne et externe. Dans une autre construction alternative, la surface externe de la pièce tubulaire est pourvue d'au moins une rainure de sorte à former l'au moins un passage lorsque ladite pièce tubulaire est agencée dans le corps cylindrique de l'injecteur et que sa surface externe vient en contact de la surface interne de l'injecteur.

Dans une toute autre version de la réalisation la restriction est réalisée sans pièce tubulaire, directement au niveau de la buse d'injection. Ainsi, la section du passage de la buse en état ouvert par lequel le gaz s'échappe est très fortement réduite par rapport à la section l'intérieur du corps de l'injecteur de sorte que lors de l'ouverture de la buse, le gaz comprimé s'engage dans le passage de sortie et s'y détende provoquant la réaction endothermique refroidissant la buse d'injection. Le passage de sortie peut comprendre un premier tronçon relié à l'intérieur du corps de l'injecteur suivi d'un second tronçon débouchant dans la chambre de combustion. Le premier tronçon a une section très fortement réduite par rapport à celle de l'intérieur du corps de l'injecteur et le second tronçon a une section égale, voire légèrement supérieure, à celle du premier tronçon. Ainsi l'accélération et la détente du gaz s'opère dès l'entrée dans le premier tronçon et le passage dans le second tronçon ne modifie pas la pression de gaz.

Enfin, l'invention est encore relative à un moteur à combustion interne équipé d'au moins un injecteur réalisé selon les paragraphes précédents. DESCRIPTION DES FIGURES Un mode de réalisation de l'invention est maintenant décrit par l'intermédiaire des figures suivantes. La Figure 1 est une coupe longitudinale d'un moteur à combustion interne équipé d'un injecteur dont la buse est ouverte. La Figure 2 est un détail de l'injecteur de la Figure 1, la buse étant cette fois fermée.

La Figure 3 est une coupe longitudinale de l'injecteur selon l'invention, un cylindre de restriction étant agencé dans le corps de l'injecteur. La Figure 4 est une vue isométrique du cylindre de restriction de la Figure 3. La Figure 5 est une coupe longitudinale d'une buse d'injection illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention. La Figure 6 est une illustration thermographique de la buse de la Figure 5 alors que le flux de gaz sort de l'injecteur. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PRÉFÉRÉS Dans la description qui suit les éléments qui ont dans les différents modes de réalisation des formes différentes mais qui remplissent une même fonction sont repérés par la même référence numérique. De plus, l'invention étant relative à un injecteur de carburant, la description s'appuie en partie sur une orientation longitudinale amont-aval selon le sens de circulation du carburant. La Figure 1 représente une partie d'un moteur à combustion interne 10 où sont distingués une chambre de combustion 12, l'injecteur 14 de carburant 5 gazeux C et une bougie. L'injecteur 14 comprend principalement un corps tubulaire 16 qui s'étend selon un axe longitudinal A depuis une entrée 18 de carburant jusqu'à une sortie 20 de carburant partie à une buse d'injection 22 débouchant dans la chambre de combustion 12. A l'intérieur du corps 16 est agencé un actionneur piloté 24, par exemple un actionneur électromagnétique ou 10 alternativement un actionneur piézoélectrique ou encore tout autre type d'actionneur piloté et, une aiguille 26 s'étendant longitudinalement depuis une extrémité amont jusqu'à une extrémité aval 30 qui coopère avec un siège 32 réalisé dans le corps 16, au niveau de l'orifice de sortie 20 du carburant, de sorte à former la buse d'injection 22. L'extrémité aval 30 de l'aiguille a dans ce but une 15 géométrie complémentaire de celle du siège 32 qui entoure l'orifice de sortie 20. Dans l'ensemble de la description et des figures l'exemple choisi pour illustrer l'invention est un injecteur dont l'aiguille débouche hors du corps, l'extrémité aval de l'aiguille formant une pointe inversée ayant une surface mâle, le siège ayant quant à lui une surface femelle complémentaire. L'invention n'est 20 cependant pas restreinte à ce type d'injecteur et peut tout à fait être appliquée dans le cas d'injecteurs dont l'aiguille entre dans le corps pour laisser passer le carburant. Lorsque la pointe et le siège sont légèrement distants l'un de l'autre la buse 22 se trouve dans un état ouvert BO tel que représenté sur la Figure 1 et l'espace entre la pointe du siège forme un passage 34 de sortie permettant au 25 carburant C d'être injecté dans la chambre de combustion 12. Un ressort de rappel 36 agencé à l'intérieur I de l'injecteur est longitudinalement comprimé entre une surface radiale du corps et une surface radiale de l'aiguille. Le ressort 36 exerce sur l'aiguille 26 une force longitudinale tendant à refermer ou à maintenir fermé la buse lorsque l'actionneur 24 n'est pas activé. 30 La Figure 2 détaille la buse 22 en un état fermé BF, l'actionneur 24 ayant cessé son action sur l'aiguille 26 qui n'est alors plus soumise qu'à l'action du ressort de rappel 36 et est alors remontée et se trouve en position fermée.

Les injecteurs dont l'ouverture de la buse s'opère par entrée de l'aiguille dans le corps sont également pourvus d'un ressort de rappel qui agit dans la direction opposée à celle des Figures 1 et 2 mais toujours dans le but de fermer la buse.

Ainsi mis en place on comprend que le flux de gaz circule dans l'espace intérieur I au corps 16 de l'injecteur, en passant autour de l'aiguille 26 et par des canaux, non détaillés sur les figures notamment au niveau de l'actionneur 24. Une forte restriction 38 de la section de passage du gaz est réalisée en un point entre l'entrée 18 et la sortie 20 du carburant. Le but de cette restriction 38 de section est de volontairement provoquer une accélération du flux de gaz et une détente du gaz C accompagnées d'une réaction endothermique qui refroidit alors l'injecteur 14. Sans but limitatif, le gaz peut avoir par exemple, à l'entrée de l'injecteur, une pression de 10, 20 voire 50 bars et être injecté dans la chambre de combustion à une pression de 1 ou 2 bars seulement.

Les Figures 3 et 4 représentent un premier mode de construction de ladite restriction 38. Une pièce tubulaire 40 est agencée dans le corps 16 de l'injecteur et est solidaire de celle-ci par sa surface extérieure 42. La pièce tubulaire 40 est également percée longitudinalement de part en part et, au travers du trou central 44 l'aiguille 26 s'étend et peut se déplacer axialement.

Parallèlement au trou central 44, la pièce tubulaire 40 est pourvue d'au moins un passage traversant 46 dont la section transverse SR est très nettement plus faible que la section SC du corps de l'injecteur en amont de la pièce tubulaire 40. La pièce tubulaire 40 peut comprendre plusieurs passages 46, ainsi que représenté sur les Figures 3 et 4, réalisés dans l'épaisseur même de la pièce tubulaire 40. Ces passages 46 étant longitudinaux et parallèles au trou central 44 et régulièrement répartis autour du trou central 44. Dans une alternative de réalisation non représentée, plutôt que des passages traversant réalisés dans l'épaisseur de la pièce tubulaire 40, la surface extérieure 42 de la pièce tubulaire 40 peut être rainurée d'une ou plusieurs rainures voire être entièrement crénelée et ce, depuis l'amont jusqu'à l'aval. Le crénelage, ou au moins une rainure, pouvant être longitudinale et parallèle à l'axe ou bien incliné en hélice. La pièce tubulaire 40 est ensuite agencée et fixée à l'intérieur I du corps de l'injecteur, des passages périphériques à la pièce tubulaire étant alors formés par les merlons du crénelage, le long de la paroi intérieur du corps de l'injecteur. Le gaz circulant dans l'injecteur est alors forcé de passer par lesdits passages périphériques dont la section est très inférieure à celle du corps de l'injecteur en amont de la pièce tubulaire.

D'autres alternatives existent et sont facilement réalisables et, quelles qu'elles soient, le gaz fortement comprimé arrive en amont de la pièce tubulaire 40 et dispose alors dans le corps de l'injecteur d'une section de passage SC relativement importante. Le gaz est ensuite obligé de passer au travers des passages 46 présentant une section SR beaucoup plus faible que le corps de l'injecteur et le flux de gaz est alors brutalement accéléré et le gaz subit dans les passages une détente rapide provoquant une réaction endothermique forte contribuant à refroidir l'injecteur. En aval de la pièce tubulaire 40 les passages par lesquels le flux de gaz transfert jusqu'à sa sortie dans la chambre de combustion 12 sont aménagés de sorte à conserver relativement constante la pression du gaz. Une autre construction alternative non représentée dans laquelle la pièce tubulaire 40 est non plus attachée au corps 16 par sa surface externe 42 mais est attachée à l'aiguille 26 par sa surface interne est également possible. Dans ce cas la pièce tubulaire se déplace avec l'aiguille.

Ce mode de construction avec pièce tubulaire 40 présente un double intérêt. D'une part lors de la conception et de la mise au point de l'injecteur, la pièce tubulaire peut être positionnée le plus opportunément possible de sorte à refroidir l'endroit exact de l'injecteur qui en a le plus besoin. D'autre part, il est connu qu'au cours de la vie de l'injecteur la course de l'aiguille augmente régulièrement suite aux chocs répétés subit lors des nombreuses et fréquentes ouvertures-fermetures de la buse. La course de l'aiguille augmentant, il en est de même de la section de passage du carburant au niveau de la buse. Or dans une construction classique, sans restriction interne, la quantité de carburant injecté dans la chambre de combustion 12 correspond à la vitesse du flux passant par la buse ouverte multipliée par le temps d'ouverture de la buse. Le débit de carburant injecté et la forme et l'orientation du jet injecté sont déterminés par la géométrie de la buse. L'augmentation régulière de la section de passage du flux au niveau de la buse entraîne donc une dérive croissante de la quantité de carburant injecté. Par contre, grâce à une construction avec restriction 38 et pièce tubulaire 40 telle que présentée par avant , la restriction créée par la pièce tubulaire 40 étant par construction largement plus importante que celle créée par la buse 22, l'influence de cette augmentation de section sur la quantité de carburant injectée est bien moindre, la buse 22 continuant cependant de définir la forme et l'orientation du jet de carburant injecté. Les Figures 5 et 6 illustrent un second mode de construction de la restriction 38. Dans ce second mode, la restriction 38 est réalisée au niveau même de la buse d'injection 22, sans ajout de pièce tubulaire. En état ouvert BO de la buse, le passage de sortie 34 reliant l'intérieur I du corps de l'injecteur à la chambre de combustion 12 est l'espace compris entre l'extrémité aval 30 de l'aiguille et le siège 32 réalisé le corps. La section de passage la plus étroite qui provoque l'accélération et la détente du gaz est l'entrée E dans le passage de sortie 34.

La Figure 6 illustre, selon une modélisation thermographique, la chute de température de gaz et l'accélération du flux qui s'opèrent dans le passage de sortie 34 et qui ainsi refroidissent la buse d'injection. A l'intérieur I du corps de l'injecteur le gaz est fortement comprimé et le flux est lent. La détente du flux de gaz et son accélération se font dès l'entrée E du passage de sortie 34 et se poursuit dans un première zone Zl. Le passage de sortie 34 peut ensuite être distingué en plusieurs zones successives, ici seulement trois zones Z1, Z2 et Z3 en tout ont été représentées mais un plus grand nombre peut être repéré, zones dans lesquelles le gaz se détend de plus en plus et le flux s'accélère. Dans la dernière zone Z3, qui s'étend sur environ la moitié du conduit de sortie, la détente du gaz est achevée et le flux détendu refroidit les surfaces menant à la chambre de combustion 12.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé d'injection d'un carburant gazeux (C) sous pression dans une chambre de combustion (12) d'un moteur à combustion interne (10), le procédé étant mis en oeuvre par un injecteur (14) piloté, le carburant (C) gazeux circulant dans l'injecteur (14) depuis une entrée (18) amont jusqu'à une buse (22) d'injection aval s'ouvrant dans la chambre de combustion (12), le procédé étant caractérisé en ce que le carburant gazeux sous pression subit dans l'injecteur (14) une détente provoquant une réaction endothermique de sorte que l'injecteur (14) en est refroidit.
2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la détente est provoquée par une variation soudaine de la section du passage (SC, SR) dans lequel circule le carburant gazeux.
3. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel en aval de la section (SR) ayant provoqué la détente du gaz, les conduits et passages menant à la chambre de combustion (12) conservent substantiellement inchangée la vitesse et la pression du flux gazeux.
4. 4. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes dans lequel la quantité et le débit du gaz injecté sont principalement déterminés par la détente du gaz en amont de la buse d'injection, la géométrie du jet injecté dans la chambre de combustion est déterminé par la géométrie de la buse d'injection de sorte que l'augmentation régulière de la section de passage (34) provoquée par les nombreuses et fréquentes ouvertures et fermetures successives et répétées de la buse n'influe quasiment pas sur la quantité et le débit du gaz injecté.
5. 5. Injecteur (14) de carburant prévu pour injecter un gaz (C) sous pression dans une chambre de combustion (12) d'un moteur à combustion interne (10), l'injecteur (14) comprenant un corps tubulaire (16), s'étendant selon un axe longitudinal (A) depuis une entrée (18) amont jusqu'à un orifice de sortie (20) aval du gaz, et une aiguille (26) agencée dans le corps (16), une extrémité (30) del'aiguille coopérant avec la sortie (20) pour former une buse d'injection (22), l'aiguille (26) pouvant être longitudinalement déplacée dans le corps (16) de sorte à obturer la sortie (20), la buse (22) étant alors dans un état fermé (BF) et le carburant (C) étant retenu dans le corps (16) de l'injecteur, ou de sorte à être éloignée de la sortie (20), la buse (22) étant alors dans un état ouvert (BO) et un flux de gaz sous pression passant alors entre ladite extrémité (30) et la sortie (20) jusqu'à entrer dans la chambre de combustion (12), caractérisé en ce que l'injecteur (14) est de plus pourvu d'un moyen (40) de détente du gaz sous pression circulant dans le corps (16) de l'injecteur, ladite détente du gaz provoquant une réaction endothermique, ledit moyen (40) étant agencé dans le corps (16) de l'injecteur de sorte à refroidir de manière appropriée une partie de l'injecteur (14) située entre l'entrée (18) et la sortie (20) du carburant.
6. 6. Injecteur (14) selon la revendication 5 dans lequel le moyen (40) de détente est une pièce tubulaire (40) longitudinale dont la surface externe (42) est solidaire de la surface interne du corps (16) de l'injecteur, l'aiguille (26) passant par le trou central (44) de ladite pièce tubulaire (40) et le gaz circulant au travers d'au moins un passage traversant (46) d'amont en aval aménagé au moins en partie dans la pièce tubulaire (40) et dont la section réduite (SR) par rapport à la section du corps (SC) en amont de la pièce tubulaire (40) provoque une détente du gaz accompagnée d'une réaction endothermique.
7. 7. Injecteur (14) selon la revendication 6 dans lequel l'au moins un passage (46) est réalisé dans l'épaisseur de la paroi de la pièce tubulaire (40), entre les surfaces interne et externe de ladite pièce tubulaire (40).
8. 8. Injecteur (14) selon la revendication 6 dans lequel la surface externe (42) de la pièce tubulaire (40) est pourvue d'au moins une rainure de sorte à former l'au moins un passage (46) lorsque ladite pièce tubulaire (40) est agencée dans le corps cylindrique (16) de l'injecteur.
9. 9. Injecteur (14) selon une des revendications 5 ou 6 dans lequel la section du passage (SR) de la buse (22) en état ouvert (BO) par lequel le gaz s'échappe est très fortement réduite par rapport à la section (SC) l'intérieur du corps de l'injecteur de sorte que lors de l'ouverture de la buse (22), le gaz comprimé s'engage dans le passage de sortie (34) et se détende provoquant la réaction endothermique refroidissant la buse d'injection (22).
10. 10. Injecteur (14) selon la revendication 9 dans lequel le passage de sortie (34) comprend un premier tronçon relié à l'intérieur (I) du corps de l'injecteur suivi d'un second tronçon débouchant dans la chambre de combustion (12), le premier tronçon ayant une section (SR) très fortement réduite par rapport à celle (SC) de l'intérieur du corps de l'injecteur et le second tronçon ayant une section égale, voire légèrement supérieure, à celle du premier tronçon, de sorte que l'accélération et la détente du gaz s'opère dès l'entrée dans le premier tronçon et que le passage dans le second tronçon ne modifie pas la pression de gaz.