EP1248904B1 - Dispositif d'injection de carburant pour moteur a combustion interne - Google Patents
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- EP1248904B1 EP1248904B1 EP00981424A EP00981424A EP1248904B1 EP 1248904 B1 EP1248904 B1 EP 1248904B1 EP 00981424 A EP00981424 A EP 00981424A EP 00981424 A EP00981424 A EP 00981424A EP 1248904 B1 EP1248904 B1 EP 1248904B1
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- F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
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- F02M69/041—Injectors peculiar thereto having vibrating means for atomizing the fuel, e.g. with sonic or ultrasonic vibrations
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- F02M2200/306—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped using mechanical means
Definitions
- the present invention relates to a fuel injection device for an internal combustion engine intended in particular to equip a motor vehicle.
- the invention relates more particularly to a fuel injection device for atomizing the injected fuel in the form of very fine droplets.
- the fuel injection devices currently used on internal combustion engines fitted to motor vehicles or road vehicles operate conventionally on the model of a valve whose open or closed state is permanently controlled, the dosage of fuel injected then being done directly by the opening time.
- Such injection systems comprise an electric fuel supply pump which supplies, through the channel of a distribution manifold, all the injectors under pressure having a constant difference with the pressure prevailing in the intake manifold. thanks to a pressure regulator.
- an electric fuel supply pump which supplies, through the channel of a distribution manifold, all the injectors under pressure having a constant difference with the pressure prevailing in the intake manifold. thanks to a pressure regulator.
- the injectors of the electromagnetically controlled needle type which are the most commonly used, however, have limits that slow down the improvement of engine performance, especially in terms of depollution. In particular the time taken to open or close the needles are still too high, about 1 to 2 ms, which prevents proper distribution of the injection over the entire opening time of the valve. In addition, the minimum opening time, which determines the minimum dose of fuel that can be injected, is still too important for certain engine operating points.
- Known needle injectors also have injection orifices of relatively large diameters to allow the required quantities of fuel to be discharged for operation at full load and high speeds of the engines. This arrangement generates fuel jets having drops of large dimensions, which slows the vaporization of the fuel (and therefore the preparation of the fuel mixture) and is able to promote the phenomenon of wall wetting.
- the non-vaporized fuel tends to settle on the walls of the intake duct or the combustion chamber (direct injection).
- Such a deposit causes metering problems, particularly acute in transients due to lack of knowledge of the amount of fuel that actually enters the combustion chamber. corresponding.
- This wetting phenomenon is one of the important causes of high pollutant emissions during cold engine starts.
- the Applicant has developed a new type of fuel injection device to solve all of these problems, the device being able to deliver a cloud of fuel drops whose sizes are calibrated to ensure an accurate dosage and sufficiently small for ensure the complete and homogeneous vaporization of the injected fuel.
- This device is of the type comprising an injector connected to a fuel supply circuit under a suitable pressure, this injector comprising an injection nozzle at the end of which is provided at least one fuel injection port and this injector cooperating with means of cyclic vibration driven by the electronic engine control system so as to cause mechanical oscillations in bending of the injection nozzle, this nozzle of injection being adapted to eject a predetermined amount of fuel at each of its oscillations.
- the object of the present invention is to improve this new type of injection device by proposing a new injector body architecture which is simpler to produce, in particular in that it is no longer necessary to have a nozzle of injection formed by a plurality of channels of suitable dimensions, joined together in a bundle.
- the fuel injection device for Internal combustion engine comprises an injector connected to a fuel circuit under a suitable pressure.
- the fuel injection device for an internal combustion engine according to the invention is defined by claim 1.
- the shutter means are integral with the rod whose flared end valve form, the rod being mounted axially movable inside said nozzle and being secured by the intermediate damping means with the nozzle.
- the damping means are formed by a spring washer.
- the cavity is formed after the portion of the transducer extending at the rear of the injector.
- the transducer comprises a stack of more than two active components.
- the injector can be attached to the yoke resting on a seal at the junction where the movements are minimum.
- the active components of the transducer are formed in a piezoelectric material.
- the active components of the transducer are formed in a magnetostrictive material.
- the body of the injector essentially comprises two separate members cooperating with each other.
- the first member is composed of means capable of generating vibrations in a longitudinal mode at ultrasonic frequencies such as a transducer 1, which transducer terminates in the lower part by a cylindrical nozzle 3 in which are amplified the vibrations coming from the transducer 1.
- the transducer assembly 1 has an internal cavity 15 intended to be filled with pressurized fuel by means of an axial piercing hole 14 for supplying fuel to be connected to a pressurized fluid supply circuit 16.
- cavity 15 opens at the lower end 6 of the nozzle 3 by an injection port 5.
- the second member is constituted by a cylindrical rod 4 housed axially movable inside the nozzle 3 and the lower end of frustoconical shape 7 extends outside the nozzle 3.
- This end 7 forming a valve is adapted to come into contact with the inner surface of the nozzle 3 delimiting the lower opening 5 of the nozzle 3, surface defining a seat for said valve, and thus to seal the fuel injection port.
- the other end of the rod 4 is provided with a mass 8 and elastically connected by a washer 9 to the body of the transducer 1.
- the whole mass 8 and the washer 9 are housed in a cavity 10 formed in the part
- the mass 8 thus integrated into the injector may have a suitable volume by adjusting the height of this mass without modifying its radius or the geometry of the transducer part 1, which makes it possible to preserve a given radius for the transducer 1. set of the injector.
- This washer 9 exerts an elastic restoring force tending to apply the end 7 of the rod 4 against the surface surrounding the injection orifice 5 of the nozzle 3.
- the value of the mass 8 and the rigidity of the washer 9 are chosen to form a system having a very large response time with respect to the excitation times of the transducer 1.
- the transducer 1 is sized to transmit a maximum of stresses at the junction 12 with the nozzle 3, this maximum of stresses corresponding to a minimum amplitude of vibration for the material.
- the transducer 1 comprises a zone 17 consisting of a stack of piezoelectric or magnetostrictive active components, which respectively under the application of an electric or magnetic field deform in thickness.
- This part 17 is sandwiched between two other elements 18 and 19 constituted of an elastic material.
- prestressing means such as a screw 20.
- the stack of several active components 17 makes it possible to add the thickness deformations generated by each of the rings, the resulting deformation the total displacement of the stack of rings remaining below the limit of elastic deformation of the prestressing means 20.
- the increase in the number of rings in the stack generates a gain in displacement which makes it possible to compensate the losses of amplification in the part 19 of the transducer 1 when the diameter of this part 19 is reduced and there is only one transition zone 12 where the amplification takes place.
- the engine control computer 31 sends two pulses corresponding to the beginning and at the end of the injection, during this time an ultrasonic frequency generator 32 sends a waveform (level 5V) at a frequency input data of an amplifier 33, which makes it possible to attack piezoelectric ceramics in AC voltage (of the order of + -60V) at the same ultrasonic frequency during the injection duration.
- the assembly composed of the transducer 1 and the nozzle 3 is sized to resonate with the excitation frequency of the active components 17 and to amplify the longitudinal displacements to the level of the lower end of the nozzle 3.
- the rod 4 initially closing the opening 5 by its end 7 forming a valve, deforms under the pulse that is provided when the nozzle 3 begins to oscillate. This deformation is distributed elastically over the entire length of the rod 4 and is reflected at the interface between the rod 4 and the mass 8.
- Figure 2 describes the relative position variation between the end 7 of the rod 4 (points Ai) and the end 6 of the nozzle 3 (Bi points) for 3 cycles of oscillation of the resonator assembly.
- Figure 3 illustrates the positions of points Ai and Bi as a function of time.
- the opening of the annular slot 21 is oscillating with a maximum amplitude equal to the maximum difference in amplitude of vibration between the valve 7 and the end 6 as indicated in FIG. 4.
- the frequency of opening of the slot then depends on the excitation frequency chosen for the transducer 1 and the natural frequencies of the stem 4.
- the docking of the end 7 of the rod 4 on the edges of the end 6 of the nozzle 3 can occur with a very low relative speed, not inducing an elastic shock. high intensity.
- the minimum opening time of the injection device is of the same order as the excitation period applied to the transducer 1, which excitation can be at a few tens of kilohertz, typically 50 kHz, which allows minimum opening times of the order of 20 ⁇ s. This makes it possible to deliver micro-quantities of liquid during a reduced period of time compared to more conventional injection devices where the minimum time to operate the opening and closing of the injection nose is rather 300 ⁇ s.
- FIG. 6 there is shown a mode of implantation of an injector according to the invention in an internal combustion engine of a motor vehicle.
- the fuel supply of the engine is of the electronically controlled multipoint type by which each combustion chamber 25 is fed directly fuel by at least one fuel injector 1 opening into the chamber.
- the body of the injector is fixed to the cylinder head 24 of the engine at its upper end by means not shown, this upper end being also connected to a fuel supply line 16 also not shown.
- the seal at the well 28 of the injector is provided by an O-ring 26 maintained in application between the junction 12 and the edge 27 of the injection well 28.
- the diameter of the nozzle 3 is sized to touch the wall of the well 28 with a spacing corresponding to the thickness of the thermal layer so as to avoid the accumulation of heat towards the end of the nozzle 3.
- the transducer 1 comprises a cylinder 18 made of steel having a diameter of 20 mm and a height of 35 mm and having in its upper part a housing 10 with a height of 15 mm for placing the mass 8 and having in its lower part a threaded shaft 20.
- the threaded axis of the cylinder 18 makes it possible to prestress rings of piezoelectric ceramics (external diameter 20 mm, internal diameter 6 mm, thickness 2 mm) between the rolls 18 and the cylinder 19 having a thread 23.
- the ceramics are arranged with anti-parallel polarizations, electrodes 13 being interposed between each pair of ceramic.
- An elastic washer 9 has an orifice allowing the rod 4 to pass and bears on the lower surface of the housing 10.
- a cylindrical mass 8 having a tapping is screwed onto the other end of the rod 4 having a thread.
- the screwing of the mass 8 is done until the desired prestress is obtained which makes it possible to apply the conical end 7 of the rod 4 to the zone 5 of the nozzle 3, the contact force then being maintained by the elasticity of the 4 and washer assembly 9.
- the preload applied allows on the one hand the sealing of the opening 5 of the nozzle 3 when the fluid 16 is supplied with a given pressure and secondly the possible catch-up of wear in the contact zone of the valve 7 with the nozzle 3.
- the value of the mass 8 and the rigidity of the washer 9 are chosen to form a system having a very large response time with respect to the excitation times of the transducer of the order of 1 to 20 miliseconds maximum.
- the material of which the cup is made can be based on polymers having a very high rate of attenuation of elastic deformations in dynamics.
- the mechanical structure is resonant with a profile of amplitude of oscillation according to the position on the axis represented in FIG. 7.
- the maintenance of the injector can be done at the level of the junction 12 which is a vibration node.
- the nozzle 3 then transmits the vibrations to its end 6 which deforms with an oscillating movement, which end 6, in turn elastically deforms the rod 4.
- the amplitude of oscillation for a voltage of 60 volts applied to each electrode is close to 20 microns, leaving an opening 21 generating a fluid film whose thickness is of the same order (20 microns). This fluid film is fragmented by the closure of the opening 21 which occurs after a very short time (every 20 ⁇ s).
- the device thus makes it possible to generate, as required, very fine droplets 22.
- the modulation of the amplitude of the opening 21 makes it possible to modulate the size of the drops and thus the flow rate with response times of the order of 20 microseconds.
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Description
- La présente invention se rapporte à un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne destiné notamment à équiper un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'injection de carburant permettant d'atomiser le carburant injecté sous forme de très fines gouttelettes.
- Les dispositifs d'injection de carburant utilisés aujourd'hui sur les moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles ou routiers, fonctionnent classiquement sur le modèle d'une vanne dont on commande en permanence l'état ouvert ou fermé, le dosage du carburant injecté se faisant alors directement par le temps d'ouverture.
- De tels systèmes d'injection comprennent une pompe électrique d'alimentation en carburant qui alimente, par le canal d'une rampe de distribution, l'ensemble des injecteurs sous une pression présentant une différence constante avec la pression régnant dans le collecteur d'admission grâce à un régulateur de pression. En contrôlant électroniquement l'électroaimant actionnant la soupape de chaque injecteur, on commande le début et la durée d'ouverture de celle-ci et on détermine alors un débit précis de carburant pour chacun des injecteurs, ainsi la quantité de carburant injectée dépend uniquement du temps d'ouverture des électro-injecteurs.
- Les injecteurs du type à aiguille commandée électromagnétiquement, qui sont les plus communément employés, présentent toutefois des limites qui freinent l'amélioration des performances des moteurs notamment en terme de dépollution. En particulier les temps mis pour ouvrir ou fermer les aiguilles sont encore trop élevés, d'environ 1 à 2 ms, ce qui empêche de répartir correctement l'injection sur tout le temps d'ouverture de la soupape. De plus, le temps minimum d'ouverture, qui détermine la dose minimale de carburant pouvant être injecté, est encore trop important pour certains points de fonctionnement moteur.
- Les injecteurs à aiguille connus présentent par ailleurs des orifices d'injection de diamètres relativement importants pour permettre de débiter les quantités requises de carburant pour les fonctionnements à pleine charge et hauts régimes des moteurs. Cette disposition génère des jets de carburant présentant des gouttes de fortes dimensions, ce qui freine la vaporisation du carburant (et donc la préparation du mélange carburé) et est à même de favoriser le phénomène de mouillage de paroi.
- En effet, le carburant non vaporisé tend à se déposer sur les parois du conduit d'admission ou de la chambre de combustion (en injection directe). Un tel dépôt entraîne des problèmes de dosage, particulièrement aigus dans les transitoires par manque de connaissance de la quantité de carburant qui rentre effectivement dans la chambre de combustion correspondante. Ce phénomène de mouillage des parois est l'une des causes importantes des fortes émissions de polluants lors des démarrages à froid des moteurs.
- Par ailleurs, avec un injecteur classique à aiguille, à l'ouverture de l'aiguille lorsque cette dernière commence à quitter son siège, il se forme un bulbe de liquide qui disparaît lorsque l'aiguille est complètement levée, l'écoulement du fluide se régularisant alors. Ce changement dans la nature de l'écoulement rend impossible tout contrôle précis du débit instantané de l'injecteur.
- Certains ont cherché à résoudre ces différents problèmes, en développant des injecteurs utilisant des actuateurs piézo-électriques pour manoeuvrer l'aiguille de façon à abaisser la durée d'ouverture et de fermeture de l'aiguille, mais de tels systèmes qui fonctionnent toujours selon le principe d'une vanne, conservent des inconvénients importants liés notamment à la dispersion importante affectant la taille des gouttes dans le jet de carburant au sortir du nez de l'injecteur. D'autres solutions ont été également proposées, voir par exemple US-A-5 836 521 ou EP-A-036 617.
- L'ensemble des problèmes cités précédemment se solde donc par une vaporisation du carburant pouvant être incomplète et non homogène lors de la préparation du mélange carburé dans la chambre de combustion, des dosages imprécis, avec pour conséquence une combustion incomplète se traduisant par la formation d'une quantité élevée de gaz polluants et un déficit énergétique altérant le rendement du moteur.
- La Demanderesse a développé un nouveau type de dispositif d'injection de carburant permettant de résoudre l'ensemble de ces problèmes, le dispositif étant apte à délivrer un nuage de gouttes de carburant dont les tailles sont calibrées pour assurer un dosage précis et suffisamment petites pour assurer la vaporisation complète et homogène du carburant injecté.
- Ce dispositif, décrit dans la demande de brevet n°FR97/05129, est du type comprenant un injecteur relié à un circuit d'alimentation en carburant sous une pression adaptée, cet injecteur comportant une buse d'injection à l'extrémité de laquelle est ménagé au moins un orifice d'injection de carburant et cet injecteur coopérant avec des moyens de mise en vibration cyclique pilotés par le système électronique de contrôle moteur de façon à provoquer des oscillations mécaniques en flexion de la buse d'injection, cette buse d'injection étant adaptée pour éjecter une quantité de carburant prédéterminée à chacune de ses oscillations.
- La présente invention a pour objet de perfectionner ce nouveau type de dispositif d'injection en proposant une nouvelle architecture de corps d'injecteur plus simple à réaliser, en particulier en ce qu'il n'est plus nécessaire de disposer d'une buse d'injection formée par une pluralité de canaux de dimensions adaptées, réunis en faisceau.
- Le dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne selon l'invention comprend un injecteur relié à un circuit de carburant sous une pression adaptée.
- Le dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne selon l'invention est défini par la revendication 1.
- Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les moyens obturateurs font corps avec la tige dont l'extrémité évasée forme clapet, la tige étant montée mobile axialement à l'intérieur de ladite buse et étant solidarisée par l'intermédiaire des moyens amortisseurs avec la buse.
- Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les moyens amortisseurs sont formés par une d'une rondelle élastique.
- Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, la cavité est formée après la partie du transducteur s'étendant à l'arrière de l'injecteur.
- Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, le transducteur comporte un empilement de plus de deux composants actifs.
- Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet.de l'invention, l'injecteur peut être fixé à la culasse en appui sur un joint au niveau de la jonction où les déplacements sont minimum.
- Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les composants actifs du transducteur sont formés dans un matériau piézo-électrique.
- Selon une autre caractéristique du dispositif d'injection objet de l'invention, les composants actifs du transducteur sont formés dans un matériau magnétostrictif.
- On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de différents modes de réalisation de l'invention, présentés à titre d'exemple non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue d'ensemble , en coupe axiale, du dispositif d'injection selon l'invention;
- les figures 2 à 5 explicitent schématiquement le principe de fonctionnement du dispositif d'injection selon l'invention;
- la figure 6 est une vue en coupe partielle d'une culasse de moteur à combustion interne équipée d'un dispositif d'injection de carburant selon l'invention.
- la figure 7 est une vue en coupe axiale détaillant la répartition d'amplitude de vibration le long de l'axe de l'injecteur représenté à la figure 1.
- la figure 8 est une vue schématique du circuit de commande du transducteur représenté à la figure 1.
- Conformément aux dessins annexés, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. De plus, pour faciliter la lecture de ces dessins, les mêmes pièces portent les mêmes références d'une figure à l'autre.
- En se reportant à la figure 1, on a détaillé le corps de l'injecteur objet de la présente invention.
- Le corps de l'injecteur comporte essentiellement deux organes distincts coopérant les uns avec les autres.
- Le premier organe se compose de moyens aptes à générer des vibrations dans un mode longitudinal à des fréquences ultrasonores tel qu'un transducteur 1, lequel transducteur se termine dans la partie inférieure par une buse de forme cylindrique 3 dans laquelle sont amplifiées les vibrations provenant du transducteur 1.
- L'ensemble du transducteur 1 présente une cavité intérieure 15 destinée à être remplie de carburant sous pression par l'intermédiaire d'un perçage axial 14 d'amenée du carburant venant se connecter à un circuit d'alimentation de fluide sous pression 16. La cavité 15 débouche à l'extrémité inférieure 6 de la buse 3 par un orifice d'injection 5.
- Le deuxième organe est constitué par une tige cylindrique 4 logée mobile axialement à l'intérieur de la buse 3 et dont l'extrémité inférieure de forme tronconique 7 s'étend à l'extérieur de la buse 3. Cette extrémité 7 formant clapet est adaptée pour venir en contact avec la surface intérieure de la buse 3 délimitant l'ouverture inférieure 5 de la buse 3, surface définissant un siège pour ledit clapet, et ainsi pour obturer l'orifice d'injection du carburant.
- L'autre extrémité de la tige 4 est munie d'une masse 8 et reliée élastiquement par une rondelle 9 au corps du transducteur 1. L'ensemble de la masse 8 et de la rondelle 9 sont logés dans une cavité 10 formée dans la partie arrière du transducteur 1. La masse 8 ainsi intégrée à l'injecteur peut avoir un volume adapté en ajustant la hauteur de cette masse sans modifier son rayon ni la géométrie de la partie transducteur 1, ce qui permet de conserver un rayon donné pour l'ensemble de l'injecteur. Cette rondelle 9 exerce une force de rappel élastique tendant à appliquer l'extrémité 7 de la tige 4 contre la surface entourant l'orifice d'injection 5 de la buse 3.
- La valeur de la masse 8 et la rigidité de la rondelle 9 sont choisis pour former un système ayant un temps de réponse très grand par rapport aux durées d'excitation du transducteur 1.
- Le transducteur 1 est dimensionné pour transmettre un maximum de contraintes au niveau de la jonction 12 avec la buse 3, ce maximum de contraintes correspondant à un minimum d'amplitude de vibration pour le matériau.
- Le transducteur 1 comporte une zone 17 constituée d'un empilement de composants actifs piézo-électriques ou magnétostrictifs, qui, respectivement sous l'application d'un champ électrique ou magnétique se déforment en épaisseur. Cette partie 17 est prise en sandwich entre deux autres éléments 18 et 19 constitués d'un matériau élastique. La liaison entre les éléments 17, 18 , et 19 est assurée par des moyens de précontrainte telle qu'une vis 20. L'empilement de plusieurs composants actifs 17 permet d'additionner les déformations en épaisseur générées par chacun des anneaux, la déformation résultante du déplacement total de l'empilement d'anneaux restant en dessous de la limite de déformation élastique du moyen de précontrainte 20. L'augmentation du nombre d'anneaux dans l'empilement génère un gain en déplacement qui permet de compenser les pertes d'amplification dans la partie 19 du transducteur 1 lorsque l'on réduit le diamètre de cette partie 19 et que l'on a une seule zone de transition 12 où s'opère l'amplification.
- Comme indiqué à la figure 8, le calculateur de contrôle moteur 31 envoie deux impulsions correspondant au début et à la fin de l'injection, pendant cette durée un générateur de fréquence ultrasonore 32 envoie un train d'onde (niveau 5V) à une fréquence donnée en entrée d'un amplificateur 33, lequel permet d'attaquer les céramiques piézo-électriques en tension alternative (de l'ordre de +-60V) à la même fréquence ultrasonore pendant la durée d'injection.
- Sous l'application d'une tension électrique sur les électrodes des céramiques piézo-électriques, celles-ci se déforment et engendrent une contrainte élastique qui se transmet jusqu'à l'extrémité inférieure 6 de la buse 3.
- L'ensemble composé du transducteur 1 et de la buse 3 est dimensionné pour résonner à la fréquence d'excitation des composants actifs 17 et pour amplifier les déplacements longitudinaux jusqu'au niveau de l'extrémité inférieure de la buse 3.
- La tige 4, obturant initialement l'ouverture 5 par son extrémité 7 formant clapet, se déforme sous l'impulsion qui lui est fournie lorsque la buse 3 se met à osciller. Cette déformation se répartit élastiquement sur toute la longueur de la tige 4 et se réfléchit à l'interface entre la tige 4 et la masse 8.
- La réponse propre de la tige 4 d'une part et de la buse 3 d'autre part permettent de faire osciller l'extrémité 7 et l'ouverture 5 avec une variation de phase et d'amplitude. Cette variation se traduit par l'ouverture d'une fente annulaire 21 entre la tige 4 et l'extrémité 6 de la buse 3, la largeur de la fente dépendant de l'écart relatif entre l'amplitude d'oscillation de l'extrémité 6 de la buse 3 et l'amplitude d'oscillation du clapet 7.
- La figure 2 décrit la variation relative de position entre l'extrémité 7 de la tige 4 (points Ai) et l'extrémité 6 de la buse 3 (points Bi) pour 3 cycles d'oscillation de l'ensemble résonateur. La figure 3 illustre les positions des points Ai et Bi en fonction du temps.
- L'ouverture de la fente annulaire 21 est donc oscillante avec une amplitude maximale égale à la différence maximale d'amplitude de vibration entre le clapet 7 et l'extrémité 6 comme l'indique la figure 4. La fréquence d'ouverture de la fente dépend alors de la fréquence d'excitation choisie pour le transducteur 1 et des fréquences propres de la tige 4.
- Selon le cycle de fonctionnement indiqué figure 2, l'accostage de l'extrémité 7 de la tige 4 sur les bords de l'extrémité 6 de la buse 3 peut se produire avec une vitesse relative très faible, n'induisant pas de choc élastique de forte intensité.
- Le temps d'ouverture minimum du dispositif d'injection est du même ordre que la période d'excitation appliquée au transducteur 1, laquelle excitation peut se faire à quelques dizaines de kilohertz, typiquement 50 kHz, ce qui autorise des temps d'ouverture minimum de l'ordre de 20 µs. Ceci permet de délivrer des micro-quantités de liquide pendant un laps de temps réduit par rapport aux dispositifs d'injection plus classiques où le temps minimum pour opérer l'ouverture et la fermeture du nez d'injection est plutôt de 300 µs.
- En se reportant à la figure 6, on a représenté un mode d'implantation d'un injecteur selon l'invention dans un moteur à combustion interne de véhicule automobile.
- L'alimentation en carburant du moteur est du type multipoint à commande électronique par lequel chaque chambre de combustion 25 est alimentée directement en carburant par au moins un injecteur de carburant 1 débouchant dans la chambre.
- Le corps de l'injecteur est fixé à la culasse 24 du moteur à son extrémité supérieure par des moyens non figurés, cette extrémité supérieure étant par ailleurs connectée à une conduite d'amenée du carburant 16 également non figuré.
- L'étanchéité au droit du puits 28 de l'injecteur est assuré par un joint torique 26 maintenu en application entre la jonction 12 et la bordure 27 du puits d'injection 28.
- Le diamètre de la buse 3 est dimensionné pour effleurer la paroi du puits 28 avec un espacement correspondant à l'épaisseur de couche thermique de façon à éviter l'accumulation de chaleur vers l'extrémité de la buse 3.
- Selon un mode particulier de réalisation de l'injecteur objet de la présente invention, le transducteur 1 comprend un cylindre 18 en acier de diamètre 20 mm et hauteur 35 mm comportant dans sa partie supérieure un logement 10 de hauteur 15 mm pour placer la masse 8 et comportant dans sa partie inférieure un axe fileté 20.
- L'axe fileté du cylindre 18 permet de précontraindre des anneaux de céramiques piézo-électriques (diamètre externe 20 mm, diamètre interne 6 mm, épaisseur 2 mm) entre le cylindres 18 et le cylindre 19 présentant un filetage 23. Les céramiques sont disposées avec des polarisations anti-parallèles, des électrodes 13 étant interposées entre chaque paire de céramique.
- Une tige 4 en titane de diamètre 2 mm et comprenant une extrémité conique 7 de diamètre externe 5 mm est insérée dans l'axe du transducteur 1. Une rondelle élastique 9 comporte un orifice laissant passer la tige 4 et prend appui sur la surface inférieure du logement 10.
- Une masse cylindrique 8 comportant un taraudage est vissée sur l'autre extrémité de la tige 4 comportant un filetage. Le vissage de la masse 8 se fait jusqu'à obtenir la précontrainte voulue permettant d'appliquer l'extrémité conique 7 de la tige 4 sur la zone 5 de la buse 3, la force de contact étant alors maintenue par l'élasticité de l'ensemble tige 4 et rondelle 9. La précontrainte appliquée permet d'une part l'étanchéité de l'ouverture 5 de la buse 3 lorsque le fluide 16 est alimenté avec une pression donnée et d'autre part le rattrapage d'usure éventuelle dans la zone de contact du clapet 7 avec la buse 3.
- La valeur de la masse 8 et la rigidité de la rondelle 9 sont choisis pour former un système ayant un temps de réponse très grand par rapport aux durées d'excitation du transducteur de l'ordre de 1 à 20 milisecondes au maximum. Le matériau dont est constitué la coupelle peut être à base de polymères ayant un très fort taux d'atténuation des déformations élastiques en dynamique.
- Lorsque l'on applique une tension variable de l'ordre de 60 Volts aux bornes des céramiques par l'intermédiaire des électrodes communes 13, les céramiques se déforment en épaisseur et les déformations se transmettent dans l'ensemble de la structure.
- Pour une fréquence d'excitation voisine de 50 kHz la structure mécanique est résonante avec un profil d'amplitude d'oscillation selon la position sur l'axe représenté à la figure 7. Le maintien de l'injecteur peut se faire au niveau de la jonction 12 qui est un noeud de vibration. La buse 3 transmet alors les vibrations jusqu'à son extrémité 6 qui se déforme avec un mouvement oscillant, laquelle extrémité 6, déforme à son tour élastiquement la tige 4.
- L'amplitude d'oscillation pour une tension de 60 Volts appliqués sur chaque électrode est voisine de 20 microns, laissant ainsi une ouverture 21 générant un film fluide dont l'épaisseur est du même ordre (20 microns). Ce film fluide est fragmenté par la fermeture de l'ouverture 21 qui intervient au bout d'un temps très court (toutes les 20µs).
- Le dispositif permet ainsi de générer, selon les besoins, de très fines gouttelettes 22. La modulation de l'amplitude de l'ouverture 21 permet de moduler la taille des gouttes et ainsi le débit avec des temps de réponse de l'ordre de 20 µs.
- Bien entendu, l'invention n'est nullement limité aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.
Claims (8)
- Dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne comprenant un injecteur relié à un circuit de carburant (16) sous une pression adaptée, ledit injecteur comportant une buse (3) cylindrique alimentée en carburant sous pression et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection (5), des moyens de mise en vibration cyclique de la buse (3), tels qu'un transducteur (1), aptes à provoquer une déformation longitudinale de la buse (3), lesdits moyens de mise en vibration cyclique étant pilotés en durée et en intensité par un système électronique de contrôle moteur, et des moyens obturateur (7) formant clapet rappelés par des moyens élastiques de rappel contre l'extrémité (6) de la buse (3) formant siège de clapet, lesdits moyens élastiques de rappel élastique étant formés par une tige (4) traversant le corps de l'injecteur jusqu'à une cavité (10) située à l'extrémité opposée par rapport à l'orifice d'injection (5), ladite tige coopérant avec une masse (8) et des moyens d'amortissement (9) logés dans ladite cavité (10), caractérisé en ce que les moyens obturateur (7) sont mis en vibration par transmission des vibrations de la buse (3) aux moyens obturateur (7) pour assurer l'éjection d'une quantité de carburant prédéterminée.
- Dispositif d'injection de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens obturateurs font corps avec ladite tige (4) dont l'extrémité évasée (7) forme clapet, ladite tige (4) étant montée mobile axialement à l'intérieur de ladite buse (3) et étant solidarisée par l'intermédiaire desdits moyens d'amortissement avec ladite buse (3).
- . Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amortissement sont formés par une rondelle élastique (9).
- Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que ladite cavité (10) est formée après la partie (18) du transducteur (1) s'étendant à l'arrière de l'injecteur.
- Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que le transducteur (1) comporte un empilement de plus de deux composants actifs (17).
- Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur peut être fixé à la culasse (24) en appui sur un joint (26) au niveau d'une jonction (12) où les déplacements sont minimum.
- Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants actifs (17) sont formés dans un matériau piézo-électrique.
- Dispositif d'injection de carburant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants actifs (17) sont formés dans un matériau magnétostrictif.
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