WO2009007596A2 - Dispositif d'injection de fluide - Google Patents

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WO2009007596A2
WO2009007596A2 PCT/FR2008/051147 FR2008051147W WO2009007596A2 WO 2009007596 A2 WO2009007596 A2 WO 2009007596A2 FR 2008051147 W FR2008051147 W FR 2008051147W WO 2009007596 A2 WO2009007596 A2 WO 2009007596A2
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housing
actuator
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André AGNERAY
Nadim Malek
Laurent Levin
Marc Pariente
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Renault S.A.S.
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    • F02M2200/855—Mounting of fuel injection apparatus using clamp elements or fastening means, e.g. bolts or screws

Definitions

  • the invention relates to a device for injecting a fluid, for example a fuel, in particular for an internal combustion engine.
  • the invention relates, according to a first aspect, to a fluid injection device, said injector, having a main axis of injection and comprising at least:
  • an actuator axially mounted in the housing and having a stack with two axially opposite end faces and including at least one electroactive part comprising an electroactive material
  • prestressing means adapted to preload at least partially said stack
  • a prestressing means adapted to prestress said stack and, in particular, an electroactive material, for example, piezoelectric ceramic washers or magnetostrictive elements distributed in the stack, is well known to those skilled in the art as shown, for example, European patent application EP 1 172 552.
  • the establishment of this prestressing means requires drilling of the electroactive material which weakens it.
  • the ceramic washers crack and break easily during drilling, and / or assembly, and / or operation of the injector thereby reducing its service life.
  • the present invention which is based on this original observation, is primarily intended to provide a fluid injection device for at least reducing at least one of the limitations mentioned above.
  • the injection device which is also in accordance with the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the prestressing means comprises at least one clamping flange external to the stack and disposed between the stack and the housing.
  • the drilling of the electroactive material is no longer essential, which makes it less fragile, in particular, to mechanical stresses, for example, during assembly and / or operation of the injector.
  • the presence of the clamping flange between the stack and the housing protects the stack against unintentional contact and / or crumbling with the housing, for example, during assembly of the injector, which may be damaged by for example, the spatial distribution of the electrodes with their wires, or even the ceramic material itself.
  • the invention relates to an internal combustion engine using the fluid injection device according to the invention, that is to say, such a motor where is disposed this injection device.
  • FIG. 1 is a diagram of an injection device according to the invention arranged in a motor and equipped with a so-called outgoing head needle connected to an actuator mounted axially in a housing,
  • FIG. 2 is a diagram of an injection device according to the invention arranged in the engine and equipped with an incoming said head needle connected to the actuator
  • FIGS. 3 and 4 represent diagrams illustrating a functioning of the valve. formed by a nozzle and an outgoing needle: closed valve ( Figure 3); open flap (figure 4),
  • Figures 5 and 6 show diagrams illustrating an operation of the valve formed by a nozzle and an incoming needle needle: closed valve (Figure 5); open flap (figure 6),
  • FIG. 7 schematically shows, in simplified side view, the stack prestressed by a clamping clamp external to the stack and arranged between the stack and the casing,
  • FIG. 8 schematically represents a simplified section of the injector in a plane perpendicular to an axis of symmetry of the injector
  • FIGS. 9-11 diagrammatically show in simplified side views respectively three different diagrams of the stack prestressed by clamping clamps of different structure, an axial clamping force adjusting means of the stack being arranged axially between each flange and the stack,
  • FIGS. 12-14 schematically show in simplified side views respectively three different diagrams of the stack prestressed by structural clamps; different, the adjustment means completed by an elastic means being disposed axially between each flange and the stack,
  • FIG. 15 schematically shows a side view in partial longitudinal section of a one-piece needle in the form of a cylindrical bar
  • Figure 16 schematically shows a simplified side view in partial longitudinal section a cylindrical one-piece nozzle.
  • the invention relates to an injection device, or injector, for injecting a fluid, for example a fuel 131 into a combustion chamber 15 of an internal combustion engine 151 (FIG. 1 (or 2) ), or in an air intake duct (not shown), or in an exhaust gas duct (not shown).
  • a fluid for example a fuel 131 into a combustion chamber 15 of an internal combustion engine 151 (FIG. 1 (or 2) ), or in an air intake duct (not shown), or in an exhaust gas duct (not shown).
  • the injector comprises two bodies, for example, cylindrical.
  • a first body representing a housing 1 is extended, along a preferred axis AB of the injection device, for example, its axis of symmetry, by at least one nozzle 3 having a length along the axis AB and having an orifice of injection and a seat 5 (or 5 ').
  • the linear dimensions of the housing 1, for example, its width measured perpendicularly to the axis AB and / or its length measured along the axis AB, may be greater than those of the nozzle 3.
  • the density of the housing 1 may greater than that of the nozzle 3.
  • the housing 1 can be connected to at least one fuel circuit 131 131 via at least one opening 9.
  • the fuel circuit 131 comprises a fuel treatment device 13 131 comprising, for example, a tank, a pump, a filter.
  • a second body representing an actuator 2 is axially mounted, preferably movable, in the housing 1.
  • a needle 4 has, along the axis AB, a length and a first end 6 defining a valve in a zone of contact with the seat 5 (or 5 ') of the nozzle 3.
  • the linear dimensions of the actuator for example, its width measured perpendicular to the axis AB and / or its measured length along the axis AB, may be greater than those of the needle 4.
  • the density of the actuator 2 may be greater than that of the needle 4.
  • the needle 4 and the actuator 2 are connected between them by a junction zone ZJ ( Figure 2).
  • the first end 6 is preferably extended longitudinally, along the axis AB, opposite the actuator 2, by a head 7 (or T) closing the seat 5 (or 5 '), so as to ensure a better seal of the valve of the injector.
  • the actuator 2 is extended, along the axis AB, by the needle 4, and is arranged for a direct vibration of the needle 4 with a reference period ⁇ , thus ensuring between the first end 6 of the needle 4 and the seat 5 (or 5 ') of the nozzle 3 a relative axial movement to open and close alternately the valve, as shown in Figures 3-4 and 5-6.
  • the actuator 2 thus plays a role of an active "master” driving the needle 4 which then presents itself as a passive "slave” piloted.
  • the actuator 2 has a stack with two opposite end faces C, D axially and including at least one electroactive part 22 comprising an electroactive material 221 (FIGS. 7-14).
  • the stack can be confused with the actuator 2.
  • the stack comprises at least one part, called amplifier
  • the amplifier 21 may have a substantially cylindrical shape (FIGS. 7, 9-10, 12-13). Alternatively, the amplifier 21 may have another shape, for example, frustoconical, which narrows in the direction of the oriented axis AB of the electroactive portion 22 to the needle 4 ( Figure 11, 14).
  • the stack further comprises at least one other part 23, called the rear mass 23, which plays a homogeneous distribution role of the stresses on the electroactive material 221.
  • the amplifier 21 and the rear mass 23 are arranged axially on either side of the the electroactive portion 22.
  • the rear mass 23 has a wall axially opposed to the electroactive portion 22, said wall being merged with the front face C of the stack axially opposed to the needle 4.
  • the amplifier 21, the electroactive part 22 and the rear mass 23 are, on the one hand, clamped together by a prestressing means adapted to preload at least partially said stack, and, on the other hand, adapted to be traversed by acoustic waves initiated by the vibrations of the electroactive part 22.
  • the prestressing means comprises at least one clamping flange 25 external to the stack and arranged between the stack and the casing 1.
  • the electroactive material 221 is piezoelectric which may be, for example, one or more ceramic piezoelectric washers stacked axially on each other to form the electroactive portion 22 of the stack.
  • These selective deformations are controlled by corresponding excitation means 14 adapted to turn the electroactive part 22 of FIG.
  • the vibration stack with the reference period ⁇ for example, using an electric field created by an applied potential difference, via the wires (not shown), to electrodes 220 integral with the material electroactive 221 piezoelectric.
  • the electroactive material 221 may be magnetostrictive. The selective deformations of the latter are controlled by corresponding unrepresented excitation means, for example, by means of a magnetic induction resulting from a selective magnetic field obtained using, for example, an exciter not shown, and in particular by a coil integral, for example, the stack or other coil surrounding the stack.
  • the prestressing means comprises at least one axial force adjusting means 250 for clamping the stack.
  • This allows the prestressing means to clamp the electroactive portion 22, for example, between the rear mass 23 and the amplifier 21, as illustrated in FIGS. 1 and 2, with a "case-by-case" adjustable force as a function of for example, the piezoelectric or magnetostrictive nature of the electroactive material 221 and / or the section in a plane perpendicular to the AB axis of the piezoelectric ceramic washers or magnetostrictive elements in the stack, and / or the spatial distribution said washers in the stack, and / or their shapes, and / or their linear dimensions (and / or in fine their shapes).
  • the adjusting means 250 may be connected with the clamping flange 25 (FIGS. 1, 2, 7, 9-14). In particular, it is possible to provide that the adjusting means
  • the axial positioning of the adjusting means 250 contributes to preserving a structural and / or acoustic symmetry of a "needle 4 + actuator 2" assembly so that, respectively, neither movements reciprocating axial axes of the needle 4, nor the propagation of acoustic waves as a whole
  • the clamping flange 25 has a thermal expansion (in particular, a coefficient of thermal expansion) substantially identical to that of the stack and, in particular that of the electroactive material 221.
  • a thermal expansion in particular, a coefficient of thermal expansion
  • the difference between the coefficients of Expansion of the electroactive material 221 and the materials of the stack can be chosen so that the differential expansions of these parts do not induce, within the operating temperature range of the injector, a variation of the prestressing of the electroactive material 221. greater than 10% of the nominal stress value (induced by the prestressing means 250).
  • the clamping flange 25 may be made of an alloy of iron and nickel with carbon and chromium, for example, of alloy "invar" type.
  • the prestressing of the electroactive material 221 tends to remain constant regardless of the temperature variations of the injector.
  • the same expansion of the stack (and, in particular, the electroactive material 221 and that of the clamping flange 25) provides a thermal compensation for the expansions due to temperature variations of the injector.
  • the assembly of the stack and, therefore, the actuator 2 becomes faster because no other means is required to compensate for said thermal expansions.
  • the rear mass 23 may be merged with the adjusting means 250 (not shown in the figures).
  • the clamping flange 25 may have a thermal expansion (in particular, a coefficient of thermal expansion) different from that of the stack and, in particular, that of the electroactive material 221.
  • the prestressing means comprises at least one elastic means 251 (for example, at least one rubber seal, a spring washer, a spring) disposed between the clamping flange 25 and the stack.
  • the elastic means 251 makes it possible to ensure quasi-constant prestressing of the electroactive part 22 and, in particular, of the electroactive material 221, independently of the elongations of the clamping flange 25 due to the thermal expansions. Thanks to this arrangement, it is possible to continue assembling the stack and, therefore, the actuator 2, on an industrial scale, for example, when a stock out of the clamps 25 in invar . Thus, this embodiment contributes to making the manufacture of the injector more reliable.
  • the elastic means 251 is disposed between the stack and the adjusting means 250 ( Figures 7, 12-14), so as to make the assembly of the stack faster.
  • the adjusting means 250 is in the form of a screw, preferably a threaded screw, the clamping flange 25 having a corresponding, preferably central, bore, that is to say, aligned on the AB axis and tapped ( Figures 7, 9-14).
  • clamping flange 25 is supported on the two opposite end faces C, D of the stack (FIG. 7), so as to ensure a homogeneous distribution of the stresses during clamping of the stack.
  • the amplifier 21 may have at least one narrowing segment along the axis AB oriented towards the needle 4, for example, a connecting segment 211 with the electroactive portion 22.
  • the clamping flange 25 can marry at least partially the shape of said narrowing segment of the amplifier 21, as illustrated in Figures 10-11, 13-14. This makes it possible to reduce an axial length of the clamping flange 25 as can be seen by comparing respectively the clamps 25 in FIGS. 9 and 12 with those in FIGS. 10-11 and 13-14. This possibility of shortening the clamping flange 25 makes it possible either to make the lighter flanges (all other parameters of the flange remaining unchanged) or to be more resistant (for example, by proportionally increasing a thickness of the shortened flange) to mechanical wear. and / or high clamping forces.
  • the prestressing means may comprise a plurality of clamping flanges 25 arranged symmetrically around the stack and spaced apart radially from each other at a predetermined angle measured in a plane perpendicular to the axis AB.
  • the presence of several flanges ensures the homogeneous distribution of stresses during tightening of the stack.
  • FIG. 1 illustrates the case of the needle 4 with the so-called outgoing head 7, having a diverging (preferably frustoconical) flared shape in a direction of the oriented axis AB of the casing 1 towards the outside of the nozzle 3 in the combustion chamber 15.
  • the outgoing head 7 closes the seat 5 of the outer side of the nozzle 3 facing away from the housing 1, in the direction of the axis AB.
  • FIG. 2 illustrates the case of the needle 4 with the so-called tapered, preferably frustoconical, head T going narrowing in the direction of the oriented axis AB of the casing 1 towards the outside of the nozzle 3 and closing off the seat 5 'on the inside of the nozzle 3 facing the housing 1.
  • Returning means 11 (or 11 ') of the actuator 2 may be provided to hold the head 7 (or T) of the needle 4 in abutment with the seat 5 (or 5') of the nozzle 3, so as to to ensure the closure of the valve regardless of the pressure in the combustion chamber 15.
  • the clamping flange 25 and the housing 1 may have minus a longitudinal contact zone, represented with the aid of the dotted lines referenced UW in FIG. 8. The possible presence of the longitudinal contact zone UW can make assembly of the injector easier, in particular by protecting the electrodes 220 against any unexpected contact with the housing 1, for example, during insertion of the stack into the housing 1 during assembly of the injector provided with the needle 4 to 7 outgoing head taking care to control friction and alignments.
  • the nozzle 3 with the housing 1 and the needle 4 with the actuator 2 respectively form a first and a second acoustic wave propagation medium.
  • the pilot injector moves the first end 6 of the needle 4 while the seat (represented in a simplified manner in the figures 15-16 and referenced 50) of the nozzle 3 is kept dynamically stationary or fixed thus behaving as a displacement node.
  • the needle 4 and the nozzle 3 are each a body whose radial dimensions perpendicular to the axis AB are small relative to its length along the axis AB.
  • any variation in linear acoustic impedance I induces an echo, i.e., a weakening of the acoustic wave propagating in one direction of the bar (e.g., from right to left in Figs. 15-16) by another acoustic wave propagating in the opposite direction of the bar (for example, from left to right in FIGS. 15-16) from a linear impedance variation point I, for example, at a junction between the needle 4 and the actuator 2 ( Figure 15) or at another junction between the nozzle 3 and the housing 1 ( Figure 16).
  • an echo i.e., a weakening of the acoustic wave propagating in one direction of the bar (e.g., from right to left in Figs. 15-16) by another acoustic wave propagating in the opposite direction of the bar (for example, from left to right in FIGS. 15-16) from a linear impedance variation point I, for example, at a junction between the needle 4 and the actuator 2 ( Figure 15) or
  • break to be understood as "a linear impedance variation I exceeding a predetermined threshold representative of a difference between the linear impedance upstream and that downstream from the acoustic wave propagation direction, a linear impedance breaking zone located in an acoustic wave propagation medium at a small distance in front of the wavelength, preferably less than one-eighth of the wavelength ⁇ / 8 ".
  • the injector may comprise at least one linear acoustic impedance breaking zone, existing at a distance from the contact zone of the seat 50 with the first end 6 of the needle 4 along the nozzle 3 (FIG. housing 1, and at least one other zone of linear acoustic impedance breaking existing away from the contact area of the first end 6 with the seat 50 along the needle 4 ( Figure 15) or the actuator 2.
  • Said zone and other rupture zone of linear acoustic impedance being each first in order from said contact zone between the first end 6 of the needle 4 and the seat 50, in a propagation direction of acoustic waves directed respectively to the housing 1 and the actuator 2.
  • T A n A * [ ⁇ / 2], (E2) where ⁇ A is another multiplier coefficient, nonzero positive integer, said second multiplier coefficient, for example, n A ⁇ n B.
  • T B n B * [ ⁇ / 2] ⁇ 0.2 * [ ⁇ / 2] (AND)
  • the latter may correspond, for example, to the head 7 (or T) of the needle 4 and / or to a guiding boss (not shown) in a plane perpendicular to the axis AB of the end 6 of the needle 3 in the nozzle 3.
  • Maintaining the dynamically immobile seat 5 is obtained by maintaining its longitudinal speed along the axis AB equal to zero, taking advantage of the periodicity of the phenomenon of the propagation of acoustic waves.
  • the latter generates an acoustic wave, called incident wave, associating a jump of speed ⁇ v and a stress jump ⁇ .
  • This wave propagates in the nozzle 3 towards the casing 1 by traversing the first distance L B , then is reflected in the first linear acoustic impedance breaking zone which is merged in FIG.
  • the incident wave reflected, its echo, said reflected wave returns to the nozzle 3 to browse the first distance I_ B in the opposite direction, that is to say, from the housing 1 to the seat 5.
  • the reflected wave has the same sign of the stress jump ⁇ as the incident wave and the inverse sign of the jump of speed ⁇ v that the incident wave (the direction of propagation being reversed, the jump of speed ⁇ v changed sign if we consider now all the positive velocities in the direction arriving on the seat 5 and not in the direction of propagation waves).
  • n B ⁇ n A it is the incident waves and the reflected waves shifted by a few periods ⁇ offset each other in the seat 5 to make it dynamically fixed.
  • This compensation may not be complete when, for example, the difference between n B and n A is greater than a predetermined value and / or a dissipation of the acoustic waves in the nozzle 3 (and, ultimately, its linear acoustic impedance) , exceeds a certain threshold.
  • the latter is due to the presence of vibration, for example, ultrasonic, of the setpoint period ⁇ , initiated by the electroactive portion 22 of the stack coincident with the actuator 2 in the present example, as mentioned above.
  • a first acoustic limit for defining both the first I_ B and the second I_ A distances is represented by an end of a set in question ("nozzle 3 + housing 1" or “needle 4 + actuator 2 ").
  • this first acoustic limit merges with the zone of contact between the first end 6 of the needle 4 (possibly extended axially by the head 7 (or 7 ')) and the seat 5 (or 5 ') of the nozzle 3, as shown in Figure 1 (or 2).
  • the first acoustic limit used to determine the second distance I_ A related to the second medium "needle 4 + actuator 2" of propagation of the acoustic waves is taken at the mid-height of the outgoing diverging frustoconical head 7.
  • the first acoustic limit used to determine the second distance L A in relation to the second medium "needle 4 + actuator 2" acoustic wave propagation is taken at the mid-height of the head entering convergent t-cone.
  • the second acoustic limit specific to each of the two sets is represented by the respective first linear acoustic impedance breaking zone I, as detailed above.
  • the second acoustic limit may correspond to where the diameter of the assembly in question varies in a plane perpendicular to the axis AB, for example, at the junction zone ZJ of the needle 4 with the amplifier 21 of the stack or recess SX of the nozzle 3 in the housing 1 (FIG. 1, 2), it being understood that:
  • the needle 4 and the amplifier 21 are made, for example, by machining in a monobloc piece made of material preferably having the same density and the same speed of sound, and
  • the nozzle 3 and the housing 1 are made, for example, by machining in a monobloc piece of material preferably having the same density and the same velocity of sound.
  • the acoustic limits of bodies may not match their physical limits. Indeed, besides the geometry of the bodies, the acoustic properties translated, for example, using the linear acoustic impedance discussed above, also depend on the other parameters such as the density of the bodies and the speed of sound in the bodies.
  • n is a multiplier coefficient, nonzero positive integer, said third multiplier coefficient, for example, n ⁇ n B ⁇ n A.
  • the actuator 2 can therefore have a symmetrical acoustic structure such as an echo of an acoustic wave emitted in one place of the symmetrical stack tends to return, after one or more reflections at the stacking boundaries represented by the opposite end faces C, D in Figures 1-2, 7, 9-14, in this same place for transmitting the acoustic wave a non-zero positive integer number of periods after its emission.
  • a first reflected wave that is to say, a first echo of the wave emitted to the first face D, returns to this same first face D a period later after its emission.
  • the symmetrical resonant structure of the actuator 2 therefore generates no delay, nor change of sign of the waves - in particular for that of the sinusoidal type where a part of the sinusoid in positive follows a symmetrical part of the sinusoid in negative - emitted with the first face D whatever the source of these waves (of the needle 4 or actuator 2).
  • the symmetrical resonant structure of the actuator 2 thus contributes to an orderly operation of the injector.
  • equation referenced E3 By analogy with the equations referenced E1 and E2 above, it must be understood that the equation referenced E3 above must be considered as verified with a certain tolerance to take account of manufacturing constraints, for example, to a tolerance of the order of ⁇ 10% of the reference period ⁇ , that is to say, of the order of plus or minus ⁇ 20% of the half-period ⁇ / 2. Taking into account this tolerance, the equation referenced E3 above can be rewritten as follows:
  • the length L f (T) expressed in acoustic flight time T and measured on corresponding parts manufactured on an industrial scale, may have slight variations from the reference values calculated at using E3 above. These slight variations may be due to an effect of reported masses. The latter may correspond, for example, appendages or machining operations or assembly.
  • the resilient means 251 has an impedance linear low and the acoustic waves are reflected at the face C forming an interface between the rear mass 23 and the elastic means 251 so that no acoustic wave coming axially from the rear mass 23 enters the adjustment means 250 through the elastic means 251.
  • the rupture of the linear acoustic impedance between the rear mass 23 and the elastic means 251 is total, so there is no longer any continuity of the acoustic medium between the rear mass 23 and the adjustment means 250 as shown in Figures 7, 12-14.

Abstract

Dispositif d'injection de fluide (131) présentant un axe principal d'injection (AB) et comportant au moins : - un boîtier (1), un actionneur (2) monté axialement dans le boîtier (1) et présentant un empilement avec deux faces frontales opposées (C), (D) axialement et incluant au moins une partie électroactive (22) comportant un matériau électroactif (221), et un moyen de précontrainte adapté à précontraindre au moins partiellement ledit empilement, Selon l'invention, le moyen de précontrainte comprend au moins une bride de serrage (25) externe à l'empilement et disposée entre l'empilement et le boîtier (1).

Description

Dispositif d'injection de fluide
L'invention concerne un dispositif d'injection d'un fluide, par exemple, d'un carburant, en particulier pour un moteur à combustion interne.
Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, un dispositif d'injection de fluide, dit injecteur, présentant un axe principal d'injection et comportant au moins :
- un boîtier,
un actionneur monté axialement dans le boîtier et présentant un empilement avec deux faces frontales opposées axialement et incluant au moins une partie électroactive comportant un matériau électroactif, et
un moyen de précontrainte adapté à précontraindre au moins partiellement ledit empilement,
Un moyen de précontrainte adapté à précontraindre ledit empilement et, notamment, un matériau électroactif, par exemple, des rondelles céramiques piézoélectriques ou des éléments magnétostrictifs répartis dans l'empilement, est bien connu de l'homme du métier comme le montre, par exemple, la demande de brevet européen EP 1 172 552. La mise en place de ce moyen de précontrainte nécessite un perçage du matériau électroactif qui le fragilise. Les rondelles céramiques se fissurent et se cassent facilement lors de perçage, et/ou d'assemblage, et/ou de fonctionnement de l'injecteur en réduisant ainsi sa durée de vie.
Pour éviter des problèmes de court circuit électrique pouvant affecter un fonctionnement de l'injecteur, un compromis délicat doit généralement être réalisé entre la compacité de l'actionneur logé dans le boîtier et la complexité d'une répartition spatiale des électrodes avec leurs fils reliant chaque rondelle céramique avec des moyens d'excitation du matériau électroactif extérieur au boîtier. Cela rend un assemblage de l'injecteur malaisé, tout contact inopiné de l'empilement contre le boîtier, par exemple, lors d'insertion de l'actionneur dans le boîtier, pouvant endommager la répartition spatiale des électrodes avec leurs fils.
La présente invention, qui s'appuie sur cette observation originale, a principalement pour but de proposer un dispositif d'injection de fluide visant au moins à réduire l'une au moins des limitations précédemment évoquées. A cette fin, le dispositif d'injection, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci- dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le moyen de précontrainte comprend au moins une bride de serrage externe à l'empilement et disposée entre l'empilement et le boîtier.
Grâce à cet agencement, le perçage du matériau électroactif n'est plus indispensable ce qui le rend moins fragile, en particulier, à des sollicitations mécaniques, par exemple, au cours d'assemblage et/ou de fonctionnement de l'injecteur. En outre, la présence de la bride de serrage entre l'empilement et le boîtier protège l'empilement contre un contact et/ou un effritement inopinés avec le boîtier, par exemple, lors d'assemblage de l'injecteur, pouvant endommager, par exemple, la répartition spatiale des électrodes avec leurs fils, voire le matériau céramique lui-même.
Selon un deuxième de ses aspects, l'invention concerne un moteur à combustion interne utilisant le dispositif d'injection de fluide selon l'invention, c'est-à-dire un tel moteur où est disposé ce dispositif d'injection.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'un dispositif d'injection selon l'invention agencé dans un moteur et équipé d'une aiguille à tête dite sortante liée à un actionneur monté axialement dans un boîtier,
la figure 2 est un schéma d'un dispositif d'injection selon l'invention agencé dans le moteur et équipé d'une aiguille à tête dite entrante liée à l'actionneur, les figures 3 et 4 représentent des schémas illustrant un fonctionnement du clapet formé par une buse et une aiguille à tête sortante : clapet fermé (figure 3) ; clapet ouvert (figure 4),
les figures 5 et 6 représentent des schémas illustrant un fonctionnement du clapet formé par une buse et une aiguille à tête entrante : clapet fermé (figure 5) ; clapet ouvert (figure 6),
la figure 7 représente de manière schématique en vue simplifiée de côté l'empilement précontraint par une bride de serrage externe à l'empilement et disposée entre l'empilement et le boîtier,
la figure 8 représente de manière schématique une coupe simplifiée de l'injecteur dans un plan perpendiculaire à un axe de symétrie de l'injecteur,
les figures 9-11 représentent de manière schématique en vues simplifiées de côté respectivement trois différents schémas de l'empilement précontraint par des brides de serrage de structure différente, un moyen d'ajustage de force axiale de serrage de l'empilement étant disposé axialement entre chaque bride et l'empilement,
les figures 12-14 représentent de manière schématique en vues simplifiées de côté respectivement trois différents schémas de l'empilement précontraint par des brides de serrage de structure différente, le moyen d'ajustage complété par un moyen élastique étant disposé axialement entre chaque bride et l'empilement,
la figure 15 représente de manière schématique en vue simplifiée de côté en coupe longitudinale partielle une aiguille monobloc en forme d'une barre cylindrique,
la figure 16 représente de manière schématique en vue simplifiée de côté en coupe longitudinale partielle une buse monobloc cylindrique.
Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un dispositif d'injection, ou injecteur, destiné à injecter un fluide, par exemple, un carburant 131 dans une chambre de combustion 15 d'un moteur 151 à combustion interne (figure 1 (ou 2)), ou dans un conduit d'admission d'air non représenté, ou dans un conduit des gaz d'échappement non représenté.
L'injecteur comporte deux corps, par exemple, cylindriques. Un premier corps représentant un boîtier 1 , est prolongé, selon un axe privilégié AB du dispositif d'injection, par exemple, son axe de symétrie, par au moins une buse 3 présentant une longueur suivant l'axe AB et comportant un orifice d'injection et un siège 5 (ou 5'). Les dimensions linéaires du boîtier 1 , par exemple, sa largeur mesurée perpendiculairement à l'axe AB et/ou sa longueur mesurée le long de l'axe AB, peuvent être supérieures à celles de la buse 3. La masse volumique du boîtier 1 peut être supérieure à celle de la buse 3. Le boîtier 1 peut être relié à au moins un circuit 130 de carburant 131 par l'intermédiaire d'au moins une ouverture 9. Le circuit 130 de carburant 131 comprend un dispositif de traitement 13 du carburant 131 comportant, par exemple, un réservoir, une pompe, un filtre.
Un deuxième corps représentant un actionneur 2 est monté axialement, de préférence, mobile, dans le boîtier 1. Une aiguille 4 présente, suivant l'axe AB, une longueur et une première extrémité 6 définissant un clapet, dans une zone de contact avec le siège 5 (ou 5') de la buse 3. Les dimensions linéaires de l'actionneur 2, par exemple, sa largeur mesurée perpendiculairement à l'axe AB et/ou sa longueur mesurée le long de l'axe AB, peuvent être supérieures à celles de l'aiguille 4. La masse volumique de l'actionneur 2 peut être supérieure à celle de l'aiguille 4. L'aiguille 4 et l'actionneur 2 sont liés entre eux par une zone de jonction ZJ (figure 2). La première extrémité 6 est, de préférence, prolongée longitudinalement, suivant l'axe AB, à l'opposé de l'actionneur 2, par une tête 7 (ou T) obturant le siège 5 (ou 5'), de manière à assurer une meilleure étanchéité du clapet de l'injecteur.
L'actionneur 2 est prolongé, selon l'axe AB, par l'aiguille 4, et est agencé pour une directe mise en vibration de l'aiguille 4 avec une période de consigne τ, en assurant ainsi entre la première extrémité 6 de l'aiguille 4 et le siège 5 (ou 5') de la buse 3 un mouvement axial relatif propre à ouvrir et à fermer alternativement le clapet, comme illustré sur les figures 3-4 et 5-6. L'actionneur 2 joue ainsi un rôle d'un « maître » actif pilotant l'aiguille 4 qui se présente alors comme une « esclave » passive pilotée.
L'actionneur 2 présente un empilement avec deux faces frontales opposées C, D axialement et incluant au moins une partie électroactive 22 comportant un matériau électroactif 221 (figures 7-14). Ce dernier est destiné à produire des vibrations avec une fréquence v prédéterminée, par exemple, ultrasonore pouvant s'étaler d'environ v = 20 kHz à environ v = 60 kHz, c'est-à-dire, avec la période de consigne τ de vibrations comprise respectivement entre 50 microsecondes et 16 microsecondes. A titre d'exemple, pour un acier, une longueur d'onde λ de vibrations est d'environ 10~1 m à v = 50 kHz (τ = 20 microsecondes). Comme illustré sur les figures 1 et 2, l'empilement peut être confondu avec l'actionneur 2.
L'empilement comprend au moins une partie, dite amplificateur
21 , liée axialement avec l'aiguille 4 à l'endroit d'une D des dites faces frontales C, D, la partie électroactive 22 et l'aiguille 4 étant disposées axialement de part et d'autre de l'amplificateur 21. Ce dernier est destiné à transmettre les vibrations du matériau électroactif 221 à l'aiguille 4 en les amplifiant de manière que les déplacements de l'aiguille 4 au niveau du clapet soient supérieures à l'intégrale des déformations du matériau électroactif 221. L'amplificateur 21 peut présenter une forme sensiblement cylindrique (figures 7, 9-10, 12-13). De manière alternative, l'amplificateur 21 peut présenter une autre forme, par exemple, tronconique, qui va en rétrécissant dans le sens de l'axe AB orienté de la partie électroactive 22 vers l'aiguille 4 (figure 11 , 14).
L'empilement comprend en outre au moins une autre partie 23, dite masse arrière 23 jouant un rôle de répartition homogène des contraintes sur le matériau électroactif 221. L'amplificateur 21 et la masse arrière 23 sont disposés axialement de part et d'autre de la partie électroactive 22. La masse arrière 23 dispose d'une paroi opposée axialement à la partie électroactive 22, ladite paroi étant confondue avec la face frontale C de l'empilement opposée axialement à l'aiguille 4.
L'amplificateur 21 , la partie électroactive 22 et la masse arrière 23 sont, d'une part, serrés ensemble par un moyen de précontrainte adapté à précontraindre au moins partiellement ledit empilement, et, d'autre part, adaptés à être traversés par des ondes acoustiques initiées par les vibrations de la partie électroactive 22.
Le moyen de précontrainte comprend au moins une bride de serrage 25 externe à l'empilement et disposée entre l'empilement et le boîtier 1.
De préférence, le matériau électroactif 221 est piézoélectrique qui peut se présenter comme, par exemple, une ou plusieurs rondelles piézoélectriques céramiques empilées axialement les unes sur les autres pour former la partie électroactive 22 de l'empilement. Les déformations sélectives du matériau électroactif 221 , par exemple, les déformations périodiques avec la période de consigne τ, générant les ondes acoustiques dans l'injecteur aboutissent in fine aux mouvements longitudinaux relatifs de la tête 7 (ou T) de l'aiguille 4 par rapport au siège 5 (ou 5') ou vice versa, propre à ouvrir et à fermer alternativement le clapet, comme évoqué ci-dessus en rapport avec les figures 3-4 et 5- 6. Ces déformations sélectives sont pilotées par des moyens d'excitation 14 correspondants adaptés pour mettre la partie électroactive 22 de l'empilement en vibration avec la période de consigne τ, par exemple, à l'aide d'un champ électrique créé par une différence de potentiel appliqué, par l'intermédiaire des fils (non représentés), à des électrodes 220 solidaires du matériau électroactif 221 piézoélectrique. De manière alternative, le matériau électroactif 221 peut être magnétostrictif. Les déformations sélectives de ce dernier sont pilotées par des moyens d'excitation correspondants non représentés, par exemple, à l'aide d'une induction magnétique résultant d'un champ magnétique sélectif obtenu à l'aide, par exemple, d'un excitateur non représenté, et, en particulier, par une bobine solidaire, par exemple, de l'empilement ou par une autre bobine entourant l'empilement.
Le moyen de précontrainte comprend au moins un moyen d'ajustage 250 de force axiale de serrage de l'empilement. Cela permet au moyen de précontrainte de serrer la partie électroactive 22, par exemple, entre la masse arrière 23 et l'amplificateur 21 , comme illustré sur les figures 1 et 2, avec une force ajustable « au cas par cas » en fonction, par exemple, de la nature - piézoélectrique ou magnétostrictive - du matériau électroactif 221 , et/ou de la section dans un plan perpendiculaire à l'axe AB des rondelles céramiques piézoélectriques ou des éléments magnétostrictifs dans l'empilement, et/ou de la répartition spatiale des dites rondelles dans l'empilement, et/ou de leurs formes, et/ou de leurs dimensions linéaires (et/ou in fine leurs formes). Le moyen d'ajustage 250 peut être lié avec la bride de serrage 25 (figures 1 , 2, 7, 9-14). En particulier, il est possible de prévoir que le moyen d'ajustage
250 soit disposé axialement entre la bride de serrage 25 et l'empilement (figures 7, 9-10, 12-14). Outre le fait que cela facilite l'assemblage de l'injecteur, le positionnement axial du moyen d'ajustage 250 contribue à préserver une symétrie structurelle et/ou acoustique d'un ensemble « aiguille 4 + actionneur 2 » de sorte que respectivement ni mouvements axiaux alternatifs de va-et-vient de l'aiguille 4, ni la propagation des ondes acoustiques dans l'ensemble
« aiguille 4 + actionneur 2 » ne soient pas perturbés par un effet parasite de masse asymétrique.
De préférence, la bride de serrage 25 présente une dilatation thermique (en particulier, un coefficient de dilatation thermique) sensiblement identique à celle de l'empilement et, notamment à celle du matériau électroactif 221. Par exemple, l'écart entre les coefficients de dilatation du matériau électroactif 221 et des matériaux de l'empilement peut être choisi de façon que les dilatations différentielles de ces pièces n'induisent pas, dans la plage de température de fonctionnement de l'injecteur, une variation de la précontrainte du matériau électroactif 221 supérieure à 10% de la valeur de contrainte nominale (induise par le moyen de précontrainte 250). Pour le matériau électroactif 221 céramique, la bride de serrage 25 peut être réalisée en un alliage de fer et de nickel avec de carbone et de chrome, par exemple, en alliage de type « invar ». Grâce à cet agencement, la précontrainte du matériau électroactif 221 tend à rester constante indépendamment des variations de température de l'injecteur. La même dilatation de l'empilement (et, notamment, du matériau électroactif 221 et celui de la bride de serrage 25) assure une compensation thermique des dilatations dues aux variations de température de l'injecteur. L'assemblage de l'empilement et, donc, de l'actionneur 2, devient plus rapide car ne nécessite aucun autre moyen pour compenser lesdites dilatations thermiques. Dans ce mode de réalisation, la masse arrière 23 peut être confondue avec le moyen d'ajustage 250 (cas non représenté sur les figures). De manière alternative, la bride de serrage 25 peut présenter une dilatation thermique (en particulier, un coefficient de dilatation thermique) différente de celle de l'empilement et, notamment, à celle du matériau électroactif 221. Dans ce cas, le moyen de précontrainte comprend au moins un moyen élastique 251 (par exemple, au moins un joint caoutchouteux, une rondelle élastique, un ressort) disposé entre la bride de serrage 25 et l'empilement. Le moyen élastique 251 permet d'assurer une précontrainte quasi-constante de la partie électroactive 22 et, notamment, du matériau électroactif 221 , indépendamment des allongements de la bride de serrage 25 dus aux dilatations thermiques. Grâce à cet agencement, il est possible de poursuivre l'assemblage de l'empilement et, donc, de l'actionneur 2, à l'échelle industrielle, par exemple, lors d'une rupture de stock des brides de serrage 25 en invar. Ainsi ce mode de réalisation contribue à rendre la fabrication de l'injecteur plus fiable.
De préférence, le moyen élastique 251 est disposé entre l'empilement et le moyen d'ajustage 250 (figures 7, 12-14), de manière à rendre plus rapide l'assemblage de l'empilement.
De préférence, le moyen d'ajustage 250 se présente comme une vis, de préférence, une vis filetée, la bride de serrage 25 présentant quant à lui un perçage correspondant, de préférence, central, c'est-à- dire, aligné sur l'axe AB et taraudé (figures 7, 9-14).
En particulier, la bride de serrage 25 est en appui sur les deux faces frontales opposées C, D de l'empilement (figure 7), de manière à assurer une répartition homogène des contraintes lors de serrage de l'empilement.
L'amplificateur 21 peut présenter au moins un segment rétrécissant suivant l'axe AB orienté vers l'aiguille 4, par exemple, un segment de raccordement 211 avec la partie électroactive 22. Dans ce cas, la bride de serrage 25 peut épouser au moins partiellement la forme dudit segment rétrécissant de l'amplificateur 21 , comme illustré sur les figures 10-11 , 13-14. Cela permet de réduire une longueur axiale de la bride de serrage 25 comme on peut le constater en comparant respectivement les brides de serrage 25 sur les figures 9 et 12 avec celles sur les figures 10-11 et 13-14. Cette possibilité de raccourcir la bride de serrage 25 permet, soit de réaliser les brides plus légères (tous autres paramètres de la bride restant inchangés), soit plus résistantes (par exemple, en augmentant proportionnellement une épaisseur de la bride raccourcie) à une usure mécanique et/ou à des forces de serrage élevées.
II doit être compris que le moyen de précontrainte peut comprendre plusieurs brides de serrage 25 disposées symétriquement autour de l'empilement et écartées radialement les unes des autres à un angle prédéterminé mesuré dans un plan perpendiculaire à l'axe AB. La présence de plusieurs brides assure la répartition homogène des contraintes lors de serrage de l'empilement.
La figure 1 illustre le cas de l'aiguille 4 avec la tête 7 dite sortante, présentant une forme évasée divergente (de préférence tronconique) dans un sens de l'axe AB orienté du boîtier 1 vers l'extérieur de la buse 3 dans la chambre de combustion 15. La tête sortante 7 obture le siège 5 du côté extérieur de la buse 3 orienté à l'opposé du boîtier 1 , dans le sens de l'axe AB.
La figure 2 illustre le cas de l'aiguille 4 avec la tête T dite entrante, de préférence tronconique, allant en rétrécissant dans le sens de l'axe AB orienté du boîtier 1 vers l'extérieur de la buse 3 et obturant le siège 5' du côté intérieur de la buse 3 orienté vers le boîtier 1.
Des moyens de rappel 11 (ou 11 ') de l'actionneur 2 peuvent être prévus pour maintenir la tête 7 (ou T) de l'aiguille 4 en appui contre le siège 5 (ou 5') de la buse 3, de manière à assurer la fermeture du clapet quelle que soit la pression dans la chambre de combustion 15. La bride de serrage 25 et le boîtier 1 peuvent présenter au moins une zone de contact longitudinale, représentée à l'aide des pointillés référencés UW sur la figure 8. La présence éventuelle de la zone de contact longitudinale UW peut rendre l'assemblage de l'injecteur plus aisé, notamment en protégeant les électrodes 220 contre tout contact inopiné avec le boîtier 1 , par exemple, lors d'insertion de l'empilement dans le boîtier 1 au cours d'assemblage de l'injecteur munie de l'aiguille 4 à tête 7 sortante en prenant soin de maîtriser des frottements et des alignements.
La buse 3 avec le boîtier 1 et l'aiguille 4 avec l'actionneur 2 forment respectivement un premier et un deuxième milieux de propagation d'ondes acoustiques. Chacun de ces deux milieux présente au moins une impédance acoustique linéaire I qui dépend d'une surface Σ d'une section du milieu perpendiculaire à l'axe AB, d'une masse volumique p du milieu et d'une célérité c du son dans le milieu : I = fι(∑, p, c). Pour illustrer ce rapport, examinons différents exemples simplifiés portant sur l'aiguille 4 ou la buse 3 et illustrés respectivement sur les figures 15-16. A des fins de simplification, il est entendu que, pour tous ces exemples, le deuxième corps, l'actionneur 2 et l'empilement sont confondus. Pour obtenir une ouverture du clapet de l'injecteur peu sensible à la pression dans la chambre de combustion 15, l'injecteur pilote en déplacement la première extrémité 6 de l'aiguille 4, tandis que le siège (représenté de manière simplifiée sur les figures 15-16 et référencé 50) de la buse 3 est maintenu dynamiquement immobile ou fixe en se comportant ainsi comme un nœud de déplacement.
L'aiguille 4 et la buse 3 se présentent chacun comme un corps dont les dimensions radiales perpendiculaires à l'axe AB sont faibles par rapport à sa longueur le long de l'axe AB. Dans une barre pleine 400 citée ici comme un modèle simplifié de l'aiguille 4 (figure 15) ou dans une barre percée 300 longitudinalement citée ici comme un modèle simplifié de la buse 3 (figure 16), la propagation des ondes acoustiques associe la propagation d'un saut de tension (force) ΔF0 et d'un saut de vitesse Δv à l'aide d'une équation : ΔF0 = Σ*Δσ = Σ*z*Δv, où Σ est une surface d'une section de la barre perpendiculaire à son axe privilégié AB, par exemple, son axe de symétrie, Δσ = z*Δv est un saut de contrainte, z est une impédance acoustique définie par une équation : z = ρ*c où p est une masse volumique de la barre et c est une célérité du son dans la barre. Il est entendu que la tension Fo est positive pour une compression et la vitesse v est positive dans le sens de propagation des ondes acoustiques. Le produit I = ∑*z = ∑*ρ*c représentatif des propriétés acoustiques de la barre - pleine ou creuse - est appelé « impédance linéaire acoustique » ou « impédance linéaire ».
Toute variation d'impédance acoustique linéaire I induit un écho, c'est-à-dire, un affaiblissement de l'onde acoustique se propageant dans un sens de la barre (par exemple, de droite à gauche sur les figures 15-16) par une autre onde acoustique se propageant en sens inverse de la barre (par exemple, de gauche à droite sur les figures 15-16) à partir d'un point de variation d'impédance linéaire I, par exemple, au niveau d'une jonction entre l'aiguille 4 et l'actionneur 2 (figure 15) ou au niveau d'une autre jonction entre la buse 3 et le boîtier 1 (figure 16). Ce même raisonnement est applicable à toute rupture d'impédance linéaire I, le terme « rupture » devant être compris comme « une variation d'impédance linéaire I dépassant un seuil prédéterminé représentatif d'une différence entre l'impédance linéaire en amont et celle en aval, par rapport au sens de propagation des ondes acoustiques, d'une zone de rupture d'impédance linéaire située dans un milieu de propagation des ondes acoustiques sur une distance faible devant la longueur d'onde, de préférence, inférieure à une huitième de la longueur d'onde λ/8 ».
L'injecteur peut comprendre au moins une zone de rupture d'impédance acoustique linéaire, existant à distance de la zone de contact du siège 50 avec la première extrémité 6 de l'aiguille 4 le long de la buse 3 (figure 16) ou du boîtier 1 , et au moins une autre zone de rupture d'impédance acoustique linéaire existant à distance de la zone de contact de la première extrémité 6 avec le siège 50 le long de l'aiguille 4 (figure 15) ou de l'actionneur 2. Lesdites zone et autre zone de rupture d'impédance acoustique linéaire étant chacune première dans l'ordre à partir de ladite zone de contact entre la première extrémité 6 de l'aiguille 4 et le siège 50, dans un sens de propagation des ondes acoustiques orienté respectivement vers le boîtier 1 et l'actionneur 2.
Comme illustré schématiquement sur la figure 1 (ou 2), la distance, dite première distance I_B, entre, d'une part, la zone de contact entre le siège 5 (ou 5') et la première extrémité 6, et, d'autre part, la première zone de rupture d'impédance acoustique linéaire le long de la buse 3 ou du boîtier 1 , est telle que le temps de propagation, dit « temps de vol acoustique » TB, des ondes acoustiques initiées par la partie électroactive 22 de l'empilement et parcourant cette première distance I_B = fB(TB) répond à l'équation suivante :
TB = nB*[τ/2], (E1 )
où nB est un coefficient multiplicateur, entier positif non nul, dit premier coefficient multiplicateur, et la distance, dite deuxième distance I_A, entre, d'une part, la zone de contact entre la première extrémité 6 et le siège 5 (ou 5'), et, d'autre part, la première zone de rupture d'impédance acoustique linéaire le long de l'aiguille 4 ou de l'actionneur 2, est telle que le temps de propagation, dit « temps de vol acoustique » TA, des ondes acoustiques initiées par la partie électroactive 22 de l'empilement et parcourant cette deuxième distance I_A = fAOΑ) répond à l'équation suivante :
TA = nA *[τ/2], (E2) où ΠA est un autre coefficient multiplicateur, entier positif non nul, dit deuxième coefficient multiplicateur, par exemple, nA ≠ nB.
On doit comprendre que les équations référencées E1 et E2 ci- dessus doivent être considérées comme vérifiées à une certaine tolérance près pour tenir compte de contraintes de fabrication, par exemple, à une tolérance de l'ordre de ± 10% de la période de consigne τ, c'est-à-dire, de l'ordre de ± 20% de la demi-période de consigne τ/2. En prenant en considération cette tolérance, les équations référencées E1 et E2 ci-dessus peuvent respectivement être réécrites comme suit :
TB = nB *[τ/2] ± 0.2*[τ/2] (ET)
TA = nA*[τ/2] ± 0.2*[τ/2] (EZ)
II est à noter qu'en pratique, la première distance I_B = fB(TB) exprimée en temps de vol acoustique TB et la deuxième distance I_A = fA(TA) exprimée en temps de vol acoustique TA, mesurées sur des pièces correspondantes fabriquées à l'échelle industrielle, peuvent présenter des légères variations par rapport aux valeurs de référence calculées à l'aides des équations E1 et E2 ci-dessus. Ces légères variations peuvent être dues à un effet de masses rapportées. Ces dernières peuvent correspondre, par exemple, à la tête 7 (ou T) de l'aiguille 4 et/ou à un bossage de guidage (non représenté) dans un plan perpendiculaire à l'axe AB de l'extrémité 6 de l'aiguille 4 dans la buse 3. Ladite tolérance permet de prendre en compte ledit effet de masses rapportées de manière à corriger les expressions en temps de vol acoustique de la première I_B = fB(TB) et de la deuxième I_A = fA(TA) distances à l'aide des équations EV et E2' ci-dessus.
De préférence, nA = nB pour le deuxième et le premier coefficients multiplicateurs avec, en particulier, nA = nB = 1 afin de minimiser les dimensions linéaires de l'injecteur selon l'axe AB pour laisser un maximum de place à des conduits d'admission et/ou d'échappement. Ainsi, partant de la zone de contact entre le siège 5 (ou
5') et la première extrémité 6 de l'aiguille 4, la buse 3 présente des propriétés acoustiques constantes sur des successions de longueur représentative de la première distance I_B = fB(TB) sensiblement égales les unes aux autres en temps de vol acoustique et dont l'expression en temps de vol acoustique TB se résume, de préférence, à une seule demi-période de consigne τ/2. De même, partant de la zone de contact entre le siège 5 (ou 5') et la première extrémité 6 de l'aiguille 4, cette dernière présente des propriétés acoustiques constantes sur des successions de longueur représentative de la deuxième distance LA = fA(TA) sensiblement égales les unes aux autres en temps de vol acoustique et dont l'expression en temps de vol acoustique TA se résume, de préférence, à une seule demi-période de consigne τ/2.
Lors d'un régime établi de son fonctionnement, c'est-à-dire, lors du fonctionnement à une température prédéterminée hors phases de démarrage et d'arrêt de l'injecteur, ce dernier permet avantageusement d'ouvrir et de fermer alternativement le clapet de manière peu sensible à la pression dans la chambre de combustion 15. Dans l'exemple illustré sur la figure 1 il s'agit, à la fois, de piloter en déplacement la première extrémité 6 prolongée de la tête 7 de l'aiguille 4 et de maintenir dynamiquement immobile le siège 5 de la buse 3. Comme mentionné ci-dessus, le pilotage en déplacement de la tête 7 de l'aiguille 4 s'opère grâce aux déformations sélectives, par exemple, périodiques avec la période de consigne τ, du matériau électroactif 221 de l'empilement transmises à l'aiguille 4 par l'intermédiaire de l'actionneur 2, à l'aide de l'amplificateur 21 (figure 1 ) de l'empilement. Le maintien du siège 5 dynamiquement immobile est obtenu grâce au maintien de sa vitesse longitudinale suivant l'axe AB égale à zéro, en profitant de la périodicité du phénomène de la propagation des ondes acoustiques. Chaque fermeture du clapet lors des atterrissages périodiques avec la période de consigne τ de la tête 7 de l'aiguille 4 sur le siège 5, produit un choc. Ce dernier génère une onde acoustique, dite onde incidente, associant un saut de vitesse Δv et un saut de contrainte Δσ. Cette onde se propage dans la buse 3 vers le boîtier 1 en parcourant la première distance LB, puis se réfléchit dans la première zone de rupture d'impédance acoustique linéaire qui est confondue sur la figure 1 avec un endroit d'encastrement SX de la buse 3 dans le boîtier 1 de section, dans un plan perpendiculaire à l'axe AB, bien plus grande que celle de la buse 3. Une fois l'onde incidente réfléchie, son écho, dit onde réfléchie, retourne dans la buse 3 pour parcourir la première distance I_B en sens inverse, c'est-à-dire, du boîtier 1 vers le siège 5. L'onde réfléchie présente le même signe du saut de contrainte Δσ que l'onde incidente et le signe inverse du saut de vitesse Δv que l'onde incidente (le sens de propagation s'étant inversé, le saut de vitesse Δv a changé de signe si on considère maintenant toutes les vitesses positives dans le sens arrivant sur le siège 5 et non plus dans le sens de propagation des ondes). Compte tenu que la première distance est conditionnée de préférence par l'équation : I_B = fB(Te) = fβ(nB*[τ/2]), l'onde réfléchie arrive sur le siège 5 exactement au même moment qu'une nouvelle onde incidente est produite par le choc dû à la fermeture du clapet, le déplacement de la tête 4 de l'aiguille 4 étant conditionné, lui aussi, par la deuxième distance LA dépendante de préférence d'un multiple de la demi-période de consigne τ/2 : LA = fAOΑ) = fA(nA*[x/2]). Il en résulte que, dans le siège 5, les contraintes sont maintenues et les vitesses sont annulées. Le siège 5 présente donc un nœud de déplacement. Dans ces conditions, une variation de la pression dans la chambre de combustion 15 va induire une amplification des chocs mais sans modifier leur synchronisme. Le fonctionnement de l'injecteur ne sera donc pas affecté par cette variation de pression dans la chambre de combustion 15.
A la lumière des précisions ci-dessus, il doit être compris que, dans le cas général pour le premier et le deuxième coefficients multiplicateurs tels que nB ≠ nA, ce sont les ondes incidentes et les ondes réfléchies décalées de quelques périodes τ qui se compensent mutuellement dans le siège 5 pour le rendre dynamiquement fixe. Cette compensation peut ne pas être totale lorsque, par exemple, la différence entre nB et nA est supérieure à une valeur prédéterminée et/ou une dissipation des ondes acoustiques dans la buse 3 (et, in fine, de son impédance acoustique linéaire), dépasse un certain seuil. C'est pourquoi, la configuration de lïnjecteur avec nB = nA et, notamment nB = nA = 1 , apparaît comme a priori plus fiable sur le plan acoustique et reste à privilégier par rapport à celle où nB ≠ nA.
Il doit être compris que la première I_B = fB(TB) et la deuxième I_A = fA(TA) distances respectivement en rapport avec le premier « buse 3 + boîtier 1 » et le deuxième « aiguille 4 + actionneur 2 » milieux de propagation des ondes acoustiques sont définies, de préférence à l'aide des temps de vol acoustique respectif TB = nB*[τ/2] et TA = nA*[τ/2], dans un contexte acoustique. Ce dernier est dû à la présence des vibrations, par exemple, ultrasonores, de la période de consigne τ, initiées par la partie électroactive 22 de l'empilement confondu avec l'actionneur 2 dans le présent exemple, comme évoquées ci-dessus. Autrement dit, la première I_B = fB(TB) et la deuxième I_A = fA(TA) distances sont comprises entre deux limites acoustiques. De manière générale, une première limite acoustique servant à définir, à la fois la première I_B et la deuxième I_A distances, est représentée par une extrémité d'un ensemble en question (« buse 3 + boîtier 1 » ou « aiguille 4 + actionneur 2 »). De manière simplifiée, on peut considérer que cette première limite acoustique se confond avec la zone de contact entre la première extrémité 6 de l'aiguille 4 (éventuellement prolongée axialement par la tête 7 (ou 7')) et le siège 5 (ou 5') de la buse 3, comme illustré sur la figure 1 (ou 2).
Dans l'exemple illustré sur la figure 1 avec l'aiguille 4 à tête sortante 7, il doit être compris que la première limite acoustique servant pour déterminer la deuxième distance I_A en rapport avec le deuxième milieu « aiguille 4 + actionneur 2 » de propagation des ondes acoustiques, est prise à la mi-hauteur de la tête sortante 7 tronconique divergente. De même, la première limite acoustique servant pour déterminer la première distance I_B = fB(TB) en rapport avec le premier milieu « buse 3 + boîtier 1 » de propagation des ondes acoustiques est prise à la mi-hauteur du siège 5 tronconique divergente correspondant.
Dans l'exemple illustré sur la figure 2 avec l'aiguille 4 à tête entrante 7', il doit être compris que la première limite acoustique servant pour déterminer la deuxième distance LA en rapport avec le deuxième milieu « aiguille 4 + actionneur 2 » de propagation des ondes acoustiques, est prise à la mi-hauteur de la tête entrante T tronconique convergente. De même, la première limite acoustique servant pour déterminer la première distance I_B = fB(Te) en rapport avec le premier milieu « buse 3 + boîtier 1 » de propagation des ondes acoustiques est prise à la mi-hauteur du siège 5' tronconique convergent correspondant.
La deuxième limite acoustique propre à chacun des deux ensembles est représentée par la respective première zone de rupture d'impédance acoustique linéaire I, comme détaillé ci-dessus. Par exemple, la deuxième limite acoustique peut correspondre à l'endroit où le diamètre de l'ensemble en question varie dans un plan perpendiculaire à l'axe AB, par exemple, au niveau de la zone de jonction ZJ de l'aiguille 4 avec l'amplificateur 21 de l'empilement ou de l'endroit d'encastrement SX de la buse 3 dans le boîtier 1 (figure 1 , 2), étant entendu que :
- dans la zone de jonction ZJ, l'aiguille 4 et l'amplificateur 21 sont réalisés, par exemple, par un usinage dans une pièce monobloc en matériau présentant de préférence la même masse volumique et la même célérité du son, et
- dans l'endroit d'encastrement SX, la buse 3 et le boîtier 1 sont réalisés, par exemple, par un usinage dans une pièce monobloc en matériau présentant de préférence la même masse volumique et la même célérité du son.
En effet, l'usinage dans une pièce monobloc présente une solution la plus simple à mettre en œuvre lors d'une fabrication des dites pièces à l'échelle industrielle.
II doit cependant être compris que les limites acoustiques des corps peuvent ne pas correspondre à leurs limites physiques. En effet, outre la géométrie des corps, les propriétés acoustiques traduites, par exemple, à l'aide de l'impédance acoustique linéaire discutée ci- dessus, dépendent également des autres paramètres tels que la masse volumique des corps et la vitesse du son dans les corps.
Pour rendre l'injecteur encore plus performant en termes acoustiques, la longueur L mesurée entre les deux faces frontales opposées C, D de l'empilement formé par l'amplificateur 21 , la partie électroactive 22 et la masse arrière 23 (figures 1-2, 7, 9-14), est telle que le temps de propagation T des ondes acoustiques initiées par les vibrations de la partie électroactive 22 et parcourant cette longueur L = f(T) répond à l'équation suivante :
T = n*[τ/2], (E3)
où n est un coefficient multiplicateur, entier positif non nul, dit troisième coefficient multiplicateur, par exemple, n ≠ nB ≠ nA. Par analogie avec la buse 3 et l'aiguille 4, l'actionneur 2 (confondu dans le présent exemple avec l'empilement comme déjà précisé ci-dessus) peut donc présenter une structure acoustique symétrique telle qu'un écho d'une onde acoustique émise dans un endroit de l'empilement symétrique tend à revenir, après une ou plusieurs réflexions aux limites de l'empilement représentées par les faces frontales opposées C, D sur les figures 1-2, 7, 9-14, dans ce même endroit d'émission de l'onde acoustique un nombre entier positif non nul de périodes après son émission. Par exemple, toute onde acoustique remontant l'aiguille 4 du clapet vers l'actionneur 2 et pénétrant (par exemple, lorsque l'encastrement acoustique de l'aiguille 4 dans l'actionneur 2 n'est pas parfait) dans ce dernier via la face D, dite première face de l'empilement, entre l'aiguille 4 et l'amplificateur 21 , se propage axialement dans l'actionneur 2 pour se réfléchir ensuite sur la face C, dite deuxième face de l'empilement, opposée à ladite première face D. Grâce à la structure résonante symétrique de l'actionneur 2, une première onde réfléchie, c'est-à-dire, un premier écho de l'onde émise à la première face D, revient à cette même première face D une période plus tard après son émission. Il en est de même pour les ondes acoustiques, initiées par le matériau électroactif 221 de la partie électroactive 22 de l'empilement et se propageant axialement vers l'aiguille 4, qui peuvent, à leur tour, se réfléchir sur la première face D, revenir dans l'actionneur 2 pour se réfléchir à la deuxième face C, puis retourner à la première face D une période plus tard après leur départ de la première face D. La structure résonante symétrique de l'actionneur 2 ne génère donc aucun retard, ni changement de signe des ondes - en particulier pour celle du type sinusoïdale où une partie de la sinusoïde en positive fait suite à une partie symétrique de la sinusoïde en négative - émises à la première face D quelque soit la provenance de ces ondes (de l'aiguille 4 ou de l'actionneur 2). La structure résonante symétrique de l'actionneur 2 contribue ainsi en un fonctionnement ordonné de l'injecteur.
Par analogie avec les équations référencées E1 et E2 ci- dessus, on doit comprendre que l'équation référencée E3 ci-dessus doit être considérée comme vérifiée à une certaine tolérance près pour tenir compte de contraintes de fabrication, par exemple, à une tolérance de l'ordre de ± 10% de la période de consigne τ, c'est-à-dire, de l'ordre de plus ou moins ± 20% de la demi-période de consigne τ/2. En prenant en considération cette tolérance, l'équation référencée E3 ci-dessus peut être réécrite comme suit :
T = n*[τ/2] ± 0.2*[τ/2] (E3')
II est à noter qu'en pratique, la longueur L = f(T) exprimée en temps de vol acoustique T et mesurée sur des pièces correspondantes fabriquées à l'échelle industrielle, peut présenter des légères variations par rapport aux valeurs de référence calculées à l'aide de l'équation E3 ci-dessus. Ces légères variations peuvent être dues à un effet de masses rapportées. Ces dernières peuvent correspondre, par exemple, à des appendices ou à des usinages de préhension ou d'assemblage.
Ladite tolérance permet de prendre en compte ledit effet de masses rapportées de manière à corriger l'expression en temps de vol acoustique de la longueur L = f(T) à l'aide de l'équation E3' ci-dessus.
Pour les même raisons que celles évoquées précédemment en rapport avec nB et nA, il est préférable que n = nB = nA et, en particulier, n = nB = nA = 1. II doit être compris que, de part sa géométrie (et en particulier son épaisseur, mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe AB, négligeable par rapport au diamètre D4 de l'aiguille 4), sa masse volumique, sa célérité du son, la bride de serrage 25, présente une contribution négligeable sur le plan acoustique. La présence de la bride de serrage 25 n'influence donc pas de façon significative la longueur L = f(T) de l'empilement exprimée en temps vol acoustique T.
Lorsque la bride de serrage 25 présente le coefficient de dilatation thermique identique à celui de l'empilement et, notamment, à celui du matériau électroactif 221 , il doit être compris que, sur le plan acoustique, la deuxième face frontale C de l'empilement correspond à celle du moyen d'ajustage 250 opposée à l'aiguille 4 (et non pas à celle de la masse arrière 23 opposée à l'aiguille 4), la définition déjà discutée ci-dessus de la première face frontale D de l'empilement restant quant à elle inchangée, de manière que la longueur L = f(T) de l'empilement reste toujours comprise entre les deux faces frontales opposées C, D, comme illustrée sur les figures 9-11.
Lorsque la bride de serrage 25 présente le coefficient de dilatation thermique différent à celui de l'empilement et, notamment, à celui du matériau électroactif 221 , il doit être compris que, sur le plan acoustique, les définitions déjà discutées ci-dessus de la première D et de la deuxième C faces frontales de l'empilement restent inchangées (en particulier, la deuxième face frontale C de l'empilement correspond bien à celle de la masse arrière 23 opposée à l'aiguille 4), de manière que la longueur L = f(T) de l'empilement reste toujours comprise entre les deux faces frontales opposées C, D, comme illustrée sur les figures 7, 12-14. En effet, le moyen élastique 251 présente une impédance linéaire faible et les ondes acoustiques sont réfléchies à la face C formant une interface entre la masse arrière 23 et le moyen élastique 251 de manière qu'aucune onde acoustique provenant axialement de la masse arrière 23 ne pénètre dans le moyen d'ajustage 250 à travers le moyen élastique 251. La rupture de l'impédance acoustique linéaire entre la masse arrière 23 et le moyen élastique 251 étant totale, il n'y a donc plus aucune continuité du milieu acoustique entre la masse arrière 23 et le moyen d'ajustage 250, comme l'indiquent les figures 7, 12-14.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'injection de fluide (131) présentant un axe principal d'injection (AB) et comportant au moins :
- un boîtier (1 ),
un actionneur (2) monté axialement dans le boîtier (1 ) et présentant un empilement avec deux faces frontales opposées (C), (D) axialement et incluant au moins une partie électroactive (22) comportant un matériau électroactif (221 ), et
un moyen de précontrainte adapté à précontraindre au moins partiellement ledit empilement,
caractérisé en ce que le moyen de précontrainte comprend au moins une bride de serrage (25) externe à l'empilement et disposée entre l'empilement et le boîtier (1 ).
2. Dispositif d'injection selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le moyen de précontrainte comprend au moins un moyen d'ajustage (250) de force axiale de serrage de l'empilement, ledit moyen d'ajustage (250) étant lié avec la bride de serrage (25).
3. Dispositif d'injection selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen d'ajustage (250) est disposé axialement entre la bride de serrage (25) et l'empilement.
4. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bride de serrage (25) présente une dilatation thermique différente de celle de l'empilement, et en ce que le moyen de précontrainte comprend au moins un moyen élastique (251 ) disposé entre la bride de serrage (25) et l'empilement.
5. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendication 2 et 3 combinée à la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen élastique (251 ) est disposé entre l'empilement et le moyen d'ajustage (250).
6. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bride de serrage
(25) est en appui sur les deux faces frontales opposées (C), (D) de l'empilement.
7. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une aiguille (4), en ce que l'empilement comprend au moins une partie (21 ), dite amplificateur (21), liée axialement avec l'aiguille (4) à l'endroit d'une des dites faces frontales (C), (D), la partie électroactive (22) et l'aiguille (4) étant disposées axialement de part et d'autre de l'amplificateur (21 ).
8. Dispositif d'injection selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'amplificateur (21 ) présente au moins un segment rétrécissant suivant l'axe (AB) orienté vers l'aiguille (4), et en ce que la bride de serrage (25) épouse au moins partiellement la forme dudit segment rétrécissant de l'amplificateur (21 ).
9. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'empilement comprend au moins une autre partie (23), dite masse arrière (23), l'amplificateur (21 ) et la masse arrière (23) étant disposés axialement de part et d'autre de la partie électroactive (22), et en ce que la masse arrière (23) dispose d'une paroi opposée axialement à la partie électroactive (22), ladite paroi étant confondue avec la face frontale (C) de l'empilement opposée axialement à l'aiguille (4).
10. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bride de serrage (25) et le boîtier (1 ) présentent au moins une zone de contact longitudinale (UW).
11. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes combinée aux revendications 7 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'excitation (14) pour mettre la partie électroactive (22) de l'empilement en vibrations avec une période de consigne τ, en ce que l'empilement est confondu avec l'actionneur (2), et en ce que l'amplificateur (21), la partie électroactive (22) et la masse arrière (23) sont serrés ensemble par le moyen de précontrainte et adaptés à être traversés par des ondes acoustiques initiées par les vibrations de la partie électroactive (22).
12. Dispositif d'injection selon la revendication 11 , caractérisé en ce que la longueur (L) de l'empilement, mesurée entre les deux faces frontales opposées (C), (D), est telle que le temps de propagation (T) des ondes acoustiques initiées par les vibrations de la partie électroactive (22) et parcourant cette longueur (L) répond à l'équation suivante : T = n*[τ/2], à une tolérance près et où n est un coefficient multiplicateur, entier positif non nul.
13. Dispositif d'injection selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend une buse (3) comportant, suivant ledit axe (AB), un orifice d'injection et un siège (5) et étant, à l'opposé, liée au boitier (1 ),
en ce que l'aiguille (4) présente, suivant ledit axe (AB), une première extrémité (6) définissant un clapet, dans une zone de contact avec le siège (5) et étant, à l'opposé, liée à l'empilement de l'actionneur (2) qui met cette aiguille (4) en vibration, assurant entre sa première extrémité (6) et le siège (5) de la buse (3) un mouvement relatif propre à ouvrir et à fermer alternativement le clapet, et
en ce que
- la buse (3) avec le boîtier (1 ) et l'aiguille (4) avec l'actionneur (2) forment respectivement un premier et un deuxième milieux de propagation d'ondes acoustiques, chaque milieu présentant une impédance acoustique linéaire (I) définie par l'équation suivante : I = ∑*ρ*c, où Σ est une surface d'une section du milieu perpendiculaire à l'axe (AB), p est une masse volumique du milieu, c est une célérité du son dans le milieu,
- au moins une zone de rupture d'impédance acoustique linéaire, existant à distance de la zone de contact du siège (5) avec la première extrémité (6) le long de la buse (3) ou du boîtier (1 ), et au moins une autre zone de rupture d'impédance acoustique linéaire existant à distance de la zone de contact de la première extrémité
(6) avec le siège (5) le long de l'aiguille (4) ou de l'actionneur (2), et
lesdites zone et autre zone de rupture d'impédance acoustique linéaire étant chacune première dans l'ordre à partir de ladite zone de contact entre la première extrémité (6) de l'aiguille (4) et le siège (5), dans un sens de propagation des ondes acoustiques orienté respectivement vers le boîtier (1 ) et l'actionneur (2).
14. Dispositif d'injection selon la revendication 13, caractérisé en ce que la distance, dite première distance (I_B), entre, d'une part, la zone de contact entre le siège (5) et la première extrémité (6), et, d'autre part, la première zone de rupture d'impédance acoustique linéaire le long de la buse (3) ou du boîtier (1 ), est telle que le temps de propagation (TB) des ondes acoustiques initiées par la partie électroactive (22) de l'empilement et parcourant cette première distance (I_B) répond à l'équation suivante : TB = nB *[τ/2], à une tolérance près et où nB est un coefficient multiplicateur, entier positif non nul, et
en ce que la distance, dite deuxième distance (I_A), entre, d'une part, la zone de contact entre la première extrémité (6) et le siège (5), et, d'autre part, la première zone de rupture d'impédance acoustique linéaire le long de l'aiguille (4) ou de l'actionneur (2), est telle que le temps de propagation (TA) des ondes acoustiques initiées par la partie électroactive (22) de l'empilement et parcourant cette deuxième distance (I_A) répond à l'équation suivante : TA = nA *[x/2], à une tolérance près et où nA est un coefficient multiplicateur, entier positif non nul.
15. Moteur (151) à combustion interne utilisant le dispositif d'injection de fluide (131 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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