WO2010069972A2 - Dispositif d'injection de carburant pour moteur a injection directe de vehicule automobile - Google Patents

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WO2010069972A2
WO2010069972A2 PCT/EP2009/067221 EP2009067221W WO2010069972A2 WO 2010069972 A2 WO2010069972 A2 WO 2010069972A2 EP 2009067221 W EP2009067221 W EP 2009067221W WO 2010069972 A2 WO2010069972 A2 WO 2010069972A2
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direct
motor vehicle
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Vanessa Picron
Sébastien Potteau
Jonathan Castel
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Valeo Systemes De Controle Moteur
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    • F02M37/08—Feeding by means of driven pumps electrically driven
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    • F02M37/0047—Layout or arrangement of systems for feeding fuel
    • F02M37/0052—Details on the fuel return circuit; Arrangement of pressure regulators
    • F02M37/0058—Returnless fuel systems, i.e. the fuel return lines are not entering the fuel tank

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection device for direct injection engine of a motor vehicle.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the direct injection of gasoline from a combustion engine.
  • injection devices comprising direct injection engine fuel injectors comprise a nozzle provided with at least one injection orifice arranged at one end of the injector so as to spray the fuel inside the injection nozzle.
  • a combustion chamber in the form of fine droplets.
  • injectors operate at increasingly higher injection pressures and that they have injection orifices whose diameters are smaller and smaller in order to generate small fuel droplets. diameter in order to get a better fuel spray.
  • injection devices described above require the use of high-performance pumps of high cost in order to obtain sufficiently large injection pressures.
  • injection devices comprise spark plugs for the combustion of the fuel sprayed into the combustion chamber of the engine.
  • injectors and spark plugs causes congestion and shape constraints in the design of the combustion chamber and the cylinder head.
  • injection devices comprising fuel injectors incorporating spark plugs type coils.
  • the integration of these coils is not compatible with the high pressure required to spray the fuel through the injectors. Indeed, this causes significant constraints on the spark plugs, and the strong current necessary to supply the spark plugs disrupts the injection device.
  • the invention aims to provide a fuel injection device for direct injection engine of a motor vehicle to overcome the constraints of space and design of the combustion chamber, the constraints related to the strong injector spray pressure while ensuring better combustion of the fuel during engine start phases.
  • the invention proposes a fuel injection device for a motor vehicle direct injection engine comprising at least one direct injector for spraying said fuel into a combustion chamber of said engine and at least one ignition means for the combustion of said pulverized fuel in said combustion chamber, said fuel injection device being characterized in that it comprises means for electrifying said fuel; said electrified fuel being atomized in said combustion chamber when passing through at least one injection port of said at least one direct injector; said means for electrifying and said at least one ignition means for fuel combustion being integrated in said at least one direct injector.
  • atomizing By atomizing is meant the action of reducing a liquid into fine particles; the diameter of the particles being substantially between 10 and 30 micrometers.
  • the fuel injector according to the invention makes it possible to spray or atomize, in the form of fine droplets, the electrified fuel in the combustion chamber of the engine and to initiate the combustion of the fuel by the common integration of means for electrifying the fuel and means for igniting the fuel in the fuel injector.
  • the electrification of the fuel creates electrostatic forces within the fuel contributing to the efficient spraying of the fuel, in particular by the repulsion of the electrostatic forces of the fuel droplets with the formation of a fuel jet in the form of a mist formed of fuel. fine droplets. These fuel droplets of small diameter sprayed significantly improve the air-fuel mixture in the combustion chamber, and therefore allow to ensure satisfactory combustion reactions within these same combustion chambers.
  • the integration of the means for electrifying the fuel and the ignition means of the fuel in the fuel injector reduces the size of the combustion chamber and simplifies the design of the cylinder head.
  • the fuel injection device for direct injection engine of a motor vehicle may have one or more additional characteristics below, considered individually or according to all the technically possible combinations:
  • said means for electrifying said fuel are formed by an electrode; said means for electrifying said fuel are supplied by a voltage supply source;
  • said voltage supply source is formed by a resonant RLC circuit
  • said voltage supply source delivers a peak voltage greater than or equal to 1 OkV;
  • said voltage supply source delivers a peak voltage of between 30 and 40kV; said at least one ignition means is powered by said high voltage source;
  • said at least one ignition means is formed by a plasma candle; said at least one ignition means is formed by a multi-spark plug;
  • the device comprises a low pressure pump for pressurizing said fuel
  • said low pressure pump is a gear pump or a piston pump.
  • the invention also relates to a system comprising an electric motor and a fuel injection device for direct injection engine of a motor vehicle according to the invention, said low pressure pump of said injection device being powered by said electric motor.
  • FIG. 1 is a block diagram of a fuel injection device for direct injection engine of a motor vehicle according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an embodiment of a direct injector of an injection device according to the invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a fuel injection device 10 for direct injection engine of a motor vehicle according to the invention.
  • the injection device 10, according to the invention is a direct fuel injection device preferably gasoline type but the invention is also applicable for the direct injection of a diesel type fuel.
  • the injection device 10 comprises a rail 2 for storing the pressurized fuel, the rail 2 being connected to four direct injectors 20, each of the direct injectors 20 dosing and spraying the fuel in a combustion chamber of an injection engine direct.
  • an injection device comprises as many direct injectors as the engine comprises cylinders and therefore combustion chambers.
  • the rail 2 is supplied with fuel by a tank 4, the fuel being pressurized by means of a low pressure pump 6 before its injection into the rail 2.
  • a pressure sensor 3 makes it possible to check the fuel pressure at any time. inside the rail 2 in order to guarantee a substantially constant fuel pressure for feeding the direct injectors 20.
  • the direct injectors 20 are formed of a nozzle located at one end of the injectors in which injection orifices of small diameters are arranged so as to allow the fuel to be sputtered under pressure in the combustion chambers of the engine in the form of a liquid jet of fuel in the form of a mist of fine droplets.
  • the number of injection orifices of an injector conventionally varies between five and twelve or more; these injection ports being regularly spaced.
  • the direct injectors 20 also incorporate means for electrolyzing the pressurized fuel from the rail 2 prior to spraying it through the orifices of the nozzle of the injector.
  • the means for electrolyzing the fuel make it possible to inject electrostatic charges into the fuel by using voltages of several kilovolts and of low intensities in order to electrify the flow of fuel passing through the direct injectors 20.
  • the electrification of the fuel thus creates electrostatic forces within the liquid contributing to the efficient spraying of the fuel through the orifices of the nozzle and the formation of very fine droplets at the outlet of the injector 20, the fine droplets tending to push away from each other.
  • the use of this additional energy, by electrolysis of the fuel significantly reduces the pressure to be supplied by the pumps necessary to achieve the expected performance with a fuel spray and in particular gasoline. This results in a significant reduction in the fuel pressure required in the rail 2 and in the direct injectors 20.
  • the high-pressure pump of a known direct injection device design is replaced by the low-pressure pump 6 which is a gear type or type pump. piston, depending on the required pressure.
  • the drive of the low pressure pump is performed by means of an electric motor 5 for supplying the low pressure pump independently of the engine.
  • the high pressure pumps of a known direct injection device design are coupled in constant coupling with the heat engine, which generally requires to have complex solutions for decoupling in high engine speeds.
  • the electric motor 5 makes it possible to supply the low-pressure pump 6 instantaneously, so as to provide a sufficiently high fuel pressure in the rail 2 in order to obtain a good atomization of the fuel as soon as possible. the first turns of the engine, thus limiting the release of polluting components and ensuring good fuel combustion.
  • the low pressure pump 6, according to the invention provides a pressure of less than 100 bar.
  • the low pressure pump 6 is, for example, a gear pump for providing a pressure of the order of 20 to 30 bar.
  • the low pressure pump 6 is preferably a piston pump.
  • the injection device 10 comprises a pressure return 7 coupled to a solenoid valve (not shown) disposed between the rail 2 and the low-pressure pump 6 thus making it possible to guarantee a constant fuel pressure at the inside of the rail 2.
  • the low pressure pump 6 is fed to produce a pressure greater than the pressure necessary for spraying the fuel taking into account the leakage rates caused by the direct injectors 20.
  • the return 7 pressure then allows to create an additional leakage flow calibrated so as to ensure a substantially constant pressure of the fuel in the rail 2.
  • it is possible to waive the use a pressure return 7 by driving the electric motor to ensure a constant pressure in the rail 2 taking into account the leakage rates caused by the direct injectors 20.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an electrostatic fuel injector of a direct injection device according to the invention.
  • the direct injector 20 comprises a nozzle 62 provided with an injection end 63 in the form of a cylindrical portion 65, extended by a conical portion 66.
  • the conical portion 66 has injection orifices 68 of shapes cylindrical whose number varies typically between five and twelve, and two injection ports 68 are shown in Figure 2.
  • the injection ports 68 are of small diameters and are arranged to allow a spraying of the pressurized fuel into the combustion chambers of the engine, the spraying of the fuel being carried out in the form of a mist formed by fine droplets.
  • Each injection orifice 68 passes through the conical portion 66 so as to open on the one hand outside the nozzle 62, and on the other hand in an interior space defined by the nozzle 62.
  • the injector 20 also comprises a needle 72 capable of dosing the fuel entering the combustion chamber.
  • the needle 72 is arranged inside the space created by the cylindrical portion 65 along an axis 64 also corresponding to a longitudinal main axis of the nozzle 62 and more generally of the injector 20.
  • the needle 72 has a tapered end 71 so that when it is lowered, a portion of the outer surface of the end 71 conforms to a portion of the inner surface of the conical portion 65 so that it obstructs the injection ports 68.
  • the needle 72 is controlled in displacement by means of a device of the piezo or solenoid type.
  • the injector 20 is then in a closing phase. This closing phase can then be followed by an opening phase of the injector 20 in which the needle 72 slides towards the top of the injector 20 along the axis 64.
  • the fuel coming from the rail circulates inside the injector 20 in a substantially annular free space 70 situated between the injection nozzle 62 and the needle 72, in a main direction of flow represented schematically by a arrow, to join the injection ports 68 and the combustion chamber of the engine when the injector 20 is in the opening phase.
  • the injector 20 also comprises a spark plug 75 whose tip 76 is integrated into the body of the nozzle 62.
  • the spark plug 75 ignites the air-fuel mixture following the spraying of fuel by the injector 20 in the combustion chamber.
  • the spark plug 75 is preferably a plasma-type candle, but it is also possible to use multi-spark type spark plugs whose ignition performance is lower than the plasma type candles.
  • the tip 76 of the spark plug 75 has its end 77 facing the combustion chamber of the vehicle to produce an electric arc in the combustion chamber for ignition of the fuel mixture.
  • the direct injector 20 also incorporates means for electrolyzing the pressurized fuel from the rail prior to spraying through the injection ports 68 of the nozzle 62 into the combustion chamber of the engine.
  • the means for electrolyzing the fuel make it possible to inject electrostatic charges into the fuel by using voltages of several kilovolts and of low intensities in order to electrify the flow of fuel passing through the direct injectors 20.
  • the electrification of the fuel thus creates electrostatic forces within the liquid contributing to the efficient spraying of the fuel through the injection orifices 68 of the nozzle 62 and the formation of very fine droplets; of the order of 10 to 30 micrometers, at the outlet of the injector 20 having a tendency to repel each other.
  • the electrode is arranged so that it passes vertically through the nozzle 62 and so that the tip of the electrode is in contact with the fuel before it is sprayed into the combustion chamber.
  • the electrode is arranged, for example, inside the needle 72 along axis 64 and is connected to a negative terminal. of a high voltage source while the body of the nozzle 62 is connected to a reference potential.
  • the fuel passes through the electric field present in the nozzle 62 and electrically charges before its spraying so that the charged droplets have repulsive electric forces to assist its spraying in the form of a cloud of fine droplets.
  • the electrode is formed by materials adapted to the emission of an electric charge field.
  • the fuel In order to obtain a good atomization of the fuel with fuel droplets having a diameter substantially between 10 and 30 microns, the fuel must be loaded by high voltages of the order of several tens of kilovolts.
  • the electrostatic injection device 10 is powered by a high voltage generator 50.
  • the high voltage generator 50 is typically formed by a circuit
  • Highly resonant RLC having in series an electrical resistance R, a coil L and a capacitor C.
  • the amplitude across the capacitance C is amplified thus making it possible to provide a very large peak voltage amplitude of the order of a few tens of kilovolts.
  • the high voltage generator 50 feeds both the injector 20 to electrolyze the fuel flow using voltages of several kilovolts and low intensities to increase the quality of the fuel spraying, and also controls the ignition of the spark plug 75 for combustion of the fuel mixture in the combustion chamber of the engine.
  • the use of a single high voltage generator 50 is made possible by the operation of the combustion engine. Indeed, in a first step, the high voltage generator 50 electrolyses the fuel when of the injection of it into the combustion chamber, then in a second step, when the fuel injection is performed, the high voltage generator 50 supplies the spark plug for igniting the fuel mixture in the combustion chamber.
  • the fuel injection device of a direct injection engine allows, by means of a single injector, to atomize under low pressure the fuel in the form of very fine droplets of electrified fuel and to achieve combustion of the fuel mixture of the combustion chamber.
  • the electrification of the fuel makes it possible to substantially improve the atomization of the fuel in the combustion chamber while avoiding the use of an expensive high-pressure pump and the constraints associated with the presence of a high pressure in the combustion chamber. inside the injectors.
  • the use of a low pressure pump driven by an electric motor makes it possible to decouple the drive from the pump of the engine speed, which also allows a better rise in pressure and a better atomization of the fuel when starting the engine. , especially during the first laps of the engine when the vehicle releases large quantities of unburned hydrocarbons responsible for excessive pollution of the vehicle.
  • the design of the direct injectors device according to the invention makes it possible to dispense with the use of auxiliary devices for limiting the pump / heat engine coupling.
  • the invention has been particularly described for the direct injection of a gasoline type fuel; however the invention is also applicable to the direct injection of a diesel type fuel.
  • an adjustment of the pressures is necessary in order to obtain an effective spraying of this type of fuel whose spraying pressures are greater.
  • the pressure gains are particularly advantageous in the case where the invention is used with a gasoline type fuel.
  • the use of a low pressure pump through the electrolysis of the fuel also reduces the pressures in the fuel circulation circuit and in particular in the rail connecting the direct injectors. It is then possible to use more economical materials than aluminum for the rail, such as for example plastic materials resistant to the low pressures required.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile comportant au moins un injecteur direct (20) pour la pulvérisation dudit carburant dans une chambre de combustion dudit moteur, et au moins un moyen d'allumage (75) pour la combustion dudit carburant pulvérisé dans ladite chambre de combustion. Le dispositif d'injection de carburant comporte en outre des moyens pour électriser ledit carburant; ledit carburant électrisé étant atomisé dans ladite chambre de combustion lors du passage au travers d'au moins un orifice d'injection (68) dudit au moins un injecteur direct (20); lesdits moyens pour électriser ledit carburant et ledit au moins un moyen d'allumage (75) pour la combustion dudit carburant pulvérisé étant intégrés dans ledit au moins un injecteur direct (20).

Description

DISPOSITIF D'INJECTION DE CARBURANT POUR MOTEUR A INJECTION DIRECTE DE VEHICULE AUTOMOBILE.
La présente invention concerne un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile.
L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans l'injection directe d'essence d'un moteur à combustion.
Il est connu que des dispositifs d'injection comportant des injecteurs de carburant pour moteur à injection directe comportent une buse pourvue d'au moins un orifice d'injection agencé à une extrémité de lïnjecteur de façon à pulvériser le carburant à l'intérieur d'une chambre à combustion sous forme de fines gouttelettes.
Il est également connu que de tels injecteurs fonctionnent à des pressions d'injection de plus en plus élevées et qu'ils présentent des orifices d'injection dont les diamètres sont de plus en plus petits dans le but de générer des gouttelettes de carburant de petit diamètre afin d'obtenir une meilleure pulvérisation du carburant. A cette fin, les dispositifs d'injection décrits précédemment nécessitent l'utilisation de pompes performantes de coût élevé afin d'obtenir des pressions d'injection suffisamment importantes.
Il est également connu que de tels dispositifs d'injection comportent des bougies d'allumage pour la combustion du carburant pulvérisé dans la chambre à combustion du moteur. Cependant, l'introduction dans la chambre de combustion, des injecteurs et des bougies d'allumage occasionne des contraintes d'encombrement et de forme lors de la conception de la chambre de combustion ainsi que de la culasse.
Pour remédier à ce problème, il a été développé des dispositifs d'injection comportant des injecteurs de carburant intégrant des bougies d'allumage de type bobines. Cependant, l'intégration de ces bobines n'est pas compatible avec la forte pression nécessaire à la pulvérisation du carburant au travers des injecteurs. En effet, cela occasionne des contraintes importantes sur les bougies d'allumage, et le fort courant nécessaire à l'alimentation des bougies d'allumage perturbe le dispositif d'injection.
Dans ce contexte, l'invention vise à fournir un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile permettant de s'affranchir des contraintes d'encombrement et de conception de la chambre de combustion, des contraintes liées à la forte pression de pulvérisation des injecteurs tout en assurant une meilleure combustion du carburant lors des phases de démarrage du moteur.
A cette fin, l'invention propose un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile comportant au moins un injecteur direct pour la pulvérisation dudit carburant dans une chambre de combustion dudit moteur et au moins un moyen d'allumage pour la combustion dudit carburant pulvérisé dans ladite chambre de combustion, ledit dispositif d'injection de carburant étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour électriser ledit carburant ; ledit carburant électrisé étant atomisé dans ladite chambre de combustion lors du passage au travers d'au moins un orifice d'injection dudit au moins un injecteur direct ; lesdits moyens pour électriser et ledit au moins un moyen d'allumage pour la combustion du carburant étant intégrés dans ledit au moins un injecteur direct.
On entend par atomiser, l'action de réduire un liquide en fines particules ; le diamètre des particules étant sensiblement compris entre 10 et 30 micromètres.
Ainsi, l'injecteur de carburant selon l'invention permet de pulvériser ou d'atomiser, sous la forme de fines gouttelettes, le carburant électrisé dans la chambre de combustion du moteur et d'amorcer la combustion du carburant par l'intégration commune de moyens pour électriser le carburant et de moyens d'allumage du carburant dans l'injecteur de carburant.
L'électrisation du carburant crée des forces électrostatiques au sein du carburant contribuant à la pulvérisation efficace du carburant, notamment par la répulsion des forces électrostatiques des gouttelettes de carburant avec la formation d'un jet de carburant sous la forme d'une brume formée de fines gouttelettes. Ces gouttelettes de carburant de faibles diamètres pulvérisées améliorent sensiblement le mélange air-carburant dans la chambre de combustion, et permettent par conséquent d'assurer des réactions de combustion satisfaisantes à l'intérieur de ces mêmes chambres de combustion.
De plus, il n'est plus indispensable de disposer d'une pompe haute pression pour la compression du carburant dans le circuit d'injection du dispositif ainsi que pour l'obtention d'une pulvérisation du carburant autorisant de hautes performances moteur. L'utilisation d'un injecteur de carburant électrostatique permet désormais d'obtenir une pulvérisation du carburant de qualité tout en s'affranchissant des contraintes liées aux fortes pressions d'injection.
Enfin, l'intégration des moyens pour électriser le carburant et du moyen d'allumage du carburant dans lïnjecteur de carburant permet de réduire l'encombrement de la chambre de combustion et permet de simplifier la conception de la culasse.
Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont formés par une électrode ; - lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont alimentés par une source d'alimentation en tension ;
- ladite source d'alimentation en tension est formée par un circuit RLC résonant ;
- ladite source d'alimentation en tension délivre une tension de crête supérieure ou égale à 1 OkV ;
- ladite source d'alimentation en tension délivre une tension de crête comprise entre 30 et 4OkV ; - ledit au moins un moyen d'allumage est alimenté par ladite source haute tension ;
- ledit au moins un moyen d'allumage est formé par une bougie à plasma ; - ledit au moins un moyen d'allumage est formé par une bougie multi- étincelles ;
- le dispositif comporte une pompe basse pression pour la mise sous pression dudit carburant ;
- ladite pompe basse pression est une pompe à engrenage ou une pompe à piston.
L'invention a également pour objet un système comportant un moteur électrique et un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'invention, ladite pompe basse pression dudit dispositif d'injection étant alimentée par ledit moteur électrique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est un schéma fonctionnel d'un dispositif d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'invention ;
- la figure 2 est un schéma de principe illustrant un mode de réalisation d'un injecteur direct d'un dispositif d'injection selon l'invention.
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence sauf précision contraire.
La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un dispositif d'injection 10 de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'invention.
Le dispositif d'injection 10, selon l'invention, est un dispositif d'injection directe de carburant préférentiellement de type essence mais l'invention est également applicable pour l'injection directe d'un carburant de type diesel. Le dispositif d'injection 10 comporte un rail 2 pour le stockage du carburant sous pression, le rail 2 étant relié à quatre injecteurs directs 20, chacun des injecteurs directs 20 dosant et pulvérisant le carburant dans une chambre de combustion d'un moteur à injection directe. Typiquement, un dispositif d'injection comporte autant d'injecteurs directs que le moteur comporte de cylindres et par conséquent de chambres de combustion.
Le rail 2 est alimenté en carburant par un réservoir 4, le carburant étant mis sous pression au moyen d'une pompe basse pression 6 avant son injection dans le rail 2. Un capteur de pression 3 permet de vérifier à tout moment la pression du carburant à l'intérieur du rail 2 afin de garantir une pression de carburant sensiblement constante pour l'alimentation des injecteurs directs 20.
Les injecteurs directs 20 sont formés d'une buse située à une des extrémités des injecteurs dans laquelle des orifices d'injection de faibles diamètres sont agencés de façon à permettre une pulvérisation du carburant sous pression dans les chambres de combustion du moteur sous la forme d'un jet liquide de carburant sous forme d'une brume de fines gouttelettes.
Le nombre d'orifices d'injection d'un injecteur, tel que représenté, varie classiquement entre cinq et douze, voire plus ; ces orifices d'injection étant espacés de façon régulière.
Les injecteurs directs 20 intègrent également des moyens pour électrolyser le carburant sous pression provenant du rail 2 avant sa pulvérisation à travers les orifices de la buse de lïnjecteur.
Les moyens pour électrolyser le carburant permettent d'injecter des charges électrostatiques dans le carburant en utilisant des tensions de plusieurs kilovolts et de faibles intensités dans le but d'électriser le flux de carburant traversant les injecteurs directs 20.
L'électrisation du carburant crée ainsi des forces électrostatiques au sein du liquide contribuant à la pulvérisation efficace du carburant à travers les orifices de la buse et à la formation de très fines gouttelettes à la sortie de lïnjecteur 20, les fines gouttelettes ayant tendance à se repousser les unes des autres. Ainsi l'utilisation de cette énergie supplémentaire, par électrolyse du carburant, permet de réduire significativement la pression à fournir par les pompes nécessaire pour atteindre les performances attendues avec une pulvérisation de carburant et notamment de l'essence. Ceci se traduit par une réduction significative de la pression du carburant nécessaire dans le rail 2 et dans les injecteurs directs 20.
Dès lors que les besoins en pression pour la pulvérisation du carburant sont réduits, la pompe haute pression d'une conception connue de dispositif d'injection directe, est remplacée par la pompe basse pression 6 qui est une pompe de type à engrenage ou de type à piston, selon la pression requise. L'entrainement de la pompe basse pression est réalisé au moyen d'un moteur électrique 5 permettant d'alimenter la pompe basse pression indépendamment du moteur thermique. En effet, les pompes haute pression d'une conception de dispositif d'injection directe connue sont couplées en couplage constant avec le moteur thermique, ce qui nécessite généralement de disposer de solutions complexes pour le découplage dans les hauts régimes moteur.
De plus, lors des phases de démarrage du moteur, le moteur électrique 5 permet d'alimenter la pompe basse pression 6 instantanément, de façon à fournir une pression de carburant dans le rail 2 suffisamment élevée afin d'obtenir une bonne pulvérisation du carburant dès les premiers tours du moteur, limitant ainsi le rejet de composants polluants et garantissant une bonne combustion du carburant.
Typiquement la pompe basse pression 6, selon l'invention, fournie une pression inférieure à 100 bars.
De ce fait, il n'est plus indispensable de disposer d'une pompe haute pression pour la compression du carburant dans le circuit d'injection du dispositif ainsi que l'obtention d'une pulvérisation du carburant autorisant de hautes performances moteur. L'utilisation d'un injecteur de carburant électrostatique combiné à l'utilisation d'une pompe basse pression permet désormais d'obtenir une pulvérisation du carburant de qualité. De plus, l'utilisation d'une pompe basse pression permet de s'affranchir de l'utilisation du moteur thermique comme source d'alimentation de la pompe de compression du carburant, réduisant ainsi les coûts de réalisation d'un dispositif d'injection direct de carburant et augmentant l'efficacité du moteur lors des phases de démarrage.
Préférentiellement, la pompe basse pression 6 est, par exemple, une pompe à engrenage permettant de fournir une pression de l'ordre de 20 à 30 bars. Pour des pressions supérieures à 30 bars, la pompe basse pression 6 est préférentiellement une pompe à piston. Selon un mode préférentiel de l'invention, le dispositif d'injection 10 comporte un retour 7 de pression couplé à une électrovanne (non représentée) disposé entre le rail 2 et la pompe basse pression 6 permettant ainsi de garantir une pression constante de carburant à l'intérieur du rail 2. Pour cela, la pompe basse pression 6 est alimentée de façon à produire une pression supérieure à la pression nécessaire pour la pulvérisation du carburant en prenant en compte les débits de fuite occasionnés par les injecteurs directs 20. Le retour 7 de pression permet alors de créer un débit de fuite supplémentaire calibré de façon à garantir une pression sensiblement constante du carburant dans le rail 2. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est possible de d'affranchir de l'utilisation d'un retour 7 de pression en pilotant le moteur électrique de façon à garantir une pression constante dans le rail 2 en tenant compte des débits de fuite occasionnés par les injecteurs directs 20.
La figure 2 est schéma de principe illustrant un injecteur de carburant électrostatique d'un dispositif d'injection directe selon l'invention.
L'injecteur direct 20 comporte une buse 62 pourvue d'une extrémité d'injection 63 se présentant sous la forme d'une portion cylindrique 65, prolongée par une portion conique 66. La portion conique 66 comporte des orifices d'injections 68 de formes cylindriques dont le nombre varie classiquement entre cinq et douze, et dont deux orifices d'injection 68 sont représentés sur la figure 2. Les orifices d'injection 68 sont de faibles diamètres et sont agencés de façon à permettre une pulvérisation du carburant sous pression dans les chambres de combustion du moteur, la pulvérisation du carburant étant réalisée sous la forme d'une brume formée par de fines gouttelettes. Chaque orifice d'injection 68 traverse la portion conique 66 de façon à déboucher d'une part à l'extérieur de la buse 62, et d'autre part dans un espace intérieur défini par la buse 62.
L'injecteur 20 comporte également une aiguille 72 apte à doser le carburant entrant dans la chambre de combustion. L'aiguille 72 est agencée à l'intérieur de l'espace créé par la portion cylindrique 65 selon un axe 64 correspondant également à un axe principal longitudinal de la buse 62 et plus généralement de l'injecteur 20.
L'aiguille 72 comporte une extrémité 71 de forme conique de sorte que lorsqu'elle est abaissée, une partie de la surface extérieure de l'extrémité 71 épouse une partie de la surface intérieure de la portion conique 65 de sorte qu'elle obstrue les orifices d'injection 68. L'aiguille 72 est commandée en déplacement au moyen d'un dispositif de type piezzo ou encore à solénoïde.
Lorsque les orifices d'injection 68 sont obstrués, l'injecteur 20 se trouve alors dans une phase de fermeture. Cette phase de fermeture peut ensuite être suivie d'une phase d'ouverture de l'injecteur 20 dans laquelle l'aiguille 72 coulisse vers le haut de l'injecteur 20 selon l'axe 64.
Le carburant provenant du rail circule à l'intérieur de l'injecteur 20 dans un espace libre 70 sensiblement de forme annulaire, situé entre la buse d'injection 62 et l'aiguille 72, selon une direction principale d'écoulement représentée schématiquement par une flèche, afin de rejoindre les orifices d'injection 68 et la chambre de combustion du moteur lorsque l'injecteur 20 est en phase d'ouverture.
L'injecteur 20 comporte également une bougie d'allumage 75 dont la pointe 76 est intégrée dans le corps de la buse 62. La bougie d'allumage 75 allume le mélange air-carburant à la suite de la pulvérisation du carburant par l'injecteur 20 dans la chambre de combustion. La bougie d'allumage 75 est préférentiellement une bougie de type plasma, mais il est également possible d'utiliser des bougies de types multi- étincelles dont la performance d'allumage est inférieure aux bougies de type plasma. La pointe 76 de la bougie 75 a son extrémité 77 en regard avec la chambre de combustion du véhicule afin de produire un arc électrique dans la chambre de combustion pour l'inflammation de mélange carburé.
L'injecteur direct 20 intègre également des moyens pour électrolyser le carburant sous pression provenant du rail avant la pulvérisation à travers les orifices d'injection 68 de la buse 62 dans la chambre de combustion du moteur.
Les moyens pour électrolyser le carburant permettent d'injecter des charges électrostatiques dans le carburant en utilisant des tensions de plusieurs kilovolts et de faibles intensités dans le but d'électriser le flux de carburant traversant les injecteurs directs 20.
L'électrisation du carburant crée ainsi des forces électrostatiques au sein du liquide contribuant à la pulvérisation efficace du carburant au travers des orifices d'injection 68 de la buse 62 et à la formation de très fines gouttelettes ; de l'ordre de 10 à 30 micromètres, à la sortie de l'injecteur 20 ayant tendance à se repousser les unes des autres.
Ainsi l'utilisation de cette énergie supplémentaire, par électrolyse du carburant, permet de réduire significativement la pression à fournir par les pompes nécessaire pour atteindre les performances attendues avec une pulvérisation de carburant et notamment de l'essence, ce qui se traduit par une réduction significative de la pression du carburant nécessaire dans le rail et dans les injecteurs directs 20.
L'électrode est disposée de sorte qu'elle traverse verticalement la buse 62 et de manière à ce que la pointe de l'électrode soit en contact avec le carburant avant sa pulvérisation dans la chambre de combustion. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'électrode est agencée par exemple, à l'intérieur de l'aiguille 72 selon l'axe 64 et est reliée à une borne négative d'une source haute tension alors que le corps de la buse 62 est relié à un potentiel de référence.
Ainsi, le carburant traverse le champ électrique présent dans la buse 62 et se charge électriquement avant sa pulvérisation de sorte que les gouttelettes chargées possèdent des forces électriques de répulsion aidant sa pulvérisation sous la forme d'un nuage de fines gouttelettes.
L'électrode est formée par des matériaux adaptés à l'émission d'un champ de charge électrique.
Afin d'obtenir une bonne atomisation du carburant avec notamment des gouttelettes de carburant ayant un diamètre sensiblement compris entre 10 et 30 micromètres, le carburant doit être chargé par de hautes tensions de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts.
Pour cela, le dispositif d'injection électrostatique 10 est alimenté par un générateur haute tension 50. Le générateur haute tension 50 est formé typiquement par un circuit
RLC très résonant comportant en série une résistance électrique R, une bobine L et une capacité C.
Lorsque le générateur haute tension 50 est alimenté par une haute tension à une fréquence sensiblement égale à la fréquence de résonnance fc ≈
Figure imgf000012_0001
du circuit RLC, l'amplitude aux bornes de la capacité C est amplifiée permettant ainsi de fournir une amplitude de tension de crête très importante de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts.
Le générateur haute tension 50 alimente à la fois lïnjecteur 20 pour électrolyser le flux de carburant en utilisant des tensions de plusieurs kilovolts et de faibles intensités pour augmenter la qualité de la pulvérisation du carburant, et commande également l'allumage de la bougie d'allumage 75 pour la combustion du mélange carburé dans la chambre de combustion du moteur.
L'utilisation d'un générateur haute tension 50 unique est rendue possible par le fonctionnement du moteur à combustion. En effet, dans un premier temps, le générateur haute tension 50 électrolyse le carburant lors de l'injection de celui-ci dans la chambre de combustion, puis dans un second temps, lorsque l'injection de carburant est effectuée, le générateur haute tension 50 alimente la bougie pour l'allumage du mélange carburé dans la chambre de combustion. Ainsi selon l'invention, le dispositif d'injection de carburant d'un moteur à injection directe permet, au moyen d'un seul injecteur, d'atomiser sous basse pression le carburant sous forme de très fines gouttelettes de carburant électrisé et de réaliser la combustion du mélange carburé de la chambre de combustion. L'électrisation du carburant permet d'améliorer sensiblement l'atomisation du carburant dans la chambre de combustion tout en s'affranchissant de l'utilisation d'une pompe haute pression coûteuse et des contraintes liées à la présence d'une forte pression à l'intérieur des injecteurs. De plus, l'utilisation d'une pompe basse pression entraînée par un moteur électrique permet de découpler l'entrainement de la pompe du régime moteur, ce qui permet également une meilleure montée en pression et une meilleure pulvérisation du carburant lors du démarrage du moteur, notamment lors des premiers tours du moteur lorsque le véhicule rejette en grande quantité des hydrocarbures non brûlés responsables d'une pollution excessive du véhicule.
Enfin, à haut régime moteur, la conception du dispositif d'injecteurs directs selon l'invention permet de s'affranchir de l'utilisation de dispositifs annexes de limitation du couplage pompe/moteur thermique. L'invention a été particulièrement décrite pour l'injection directe d'un carburant de type essence ; toutefois l'invention est également applicable à l'injection directe d'un carburant de type diesel. Cependant un ajustement des pressions est nécessaire afin d'obtenir une pulvérisation efficace de ce type de carburant dont les pressions de pulvérisation sont plus importantes. II est à noter que les gains de pression sont particulièrement intéressants dans le cas où l'invention est utilisée avec un carburant de type essence. L'utilisation d'une pompe basse pression grâce à l'électrolyse du carburant permet également de réduire les pressions dans le circuit de circulation du carburant et notamment dans le rail reliant les injecteurs directs. Il est alors possible d'utiliser des matériaux plus économiques que l'aluminium pour le rail, tels que par exemple des matériaux plastiques résistant aux basses pressions requises.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile comportant au moins un injecteur direct (20) pour la pulvérisation dudit carburant dans une chambre de combustion dudit moteur, et au moins un moyen d'allumage (75) pour la combustion dudit carburant pulvérisé dans ladite chambre de combustion, ledit dispositif d'injection de carburant étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour électriser ledit carburant ; ledit carburant électrisé étant atomisé dans ladite chambre de combustion lors du passage au travers d'au moins un orifice d'injection (68) dudit au moins un injecteur direct (20) ; lesdits moyens pour électriser ledit carburant et ledit au moins un moyen d'allumage (75) pour la combustion dudit carburant pulvérisé étant intégrés dans ledit au moins un injecteur direct (20).
2. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont formés par une électrode.
3. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que lesdits moyens pour électriser ledit carburant sont alimentés par une source d'alimentation en tension (50).
4. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) est formée par un circuit RLC résonant.
5. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 3 à 4 caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) délivre une tension de crête supérieure ou égale à 10kV.
6. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que ladite source d'alimentation en tension (50) délivre une tension de crête comprise entre 30 et 4OkV.
7. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que ledit au moins un moyen d'allumage (75) est alimenté par ladite source haute tension (50).
8. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ledit au moins un moyen d'allumage (75) est formé par une bougie à plasma.
9. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ledit au moins un moyen d'allumage (75) est formé par une bougie multi-étincelles.
10. Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte une pompe basse pression (6) pour la mise sous pression dudit carburant.
1 1 . Dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon la revendication 10 caractérisé en ce que ladite pompe basse pression est une pompe à engrenage ou une pompe à piston.
12. Système caractérisé en ce qu'il comporte un moteur électrique (5) et un dispositif (10) d'injection de carburant pour moteur à injection directe de véhicule automobile selon l'une des revendications 10 à 1 1 , ladite pompe basse pression (6) dudit dispositif d'injection étant alimentée par ledit moteur électrique (5).
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